موتور تنفس طبیعی خودرو چیست؟ مزایا و معایب
احتمالا در زمان خواندن مطالب خودرویی و مطالب فنی ماشینها به اصطلاحاتی مثل موتور تنفس طبیعی ماشین یا موتور توربوشارژر، سوپرشارژر یا پرخوران شده برخورد کردهایم. این اصطلاحات درباره نحوه هوادهی به سیلندرهای موتور هستند که شکل این هوادهی در بازده این پیشرانهها و البته استهلاک آنها کاملاً مؤثر است. موتورهای تنفس طبیعی به خاطر فشار کاری کمتر و تنش کمتری که روی آنهاست، هنوز هم طرفداران زیادی دارند و در این روزها که اکثر خودروسازان به سمت استفاده از توربوشارژر برای پیشرانههای خود رفتهاند، تولید موتور تنفس طبیعی خودرو همچنان ادامه دارد.
انواع موتور خودرو از نظر سیستم تنفس و هوادهی به سیلندرها
موتور خودرو را از نظر سیستم تنفسی و شکل هوادهی به سیلندرها میتوان به چهار دسته کلی تقسیم کرد.
موتور تنفس طبیعی
موتور نفس طبیعی را میتوان در اکثر خودروها دید. این موتورها تا قبل از رایج شدن استفاده از توربوشارژر در خودروها، بیشترین سهم پیشرانههای تولیدی در دنیا را خصوصاً در موتورهای بنزینی داشتند. موتورهای تنفس طبیعی در مراجع خودرویی و فنی به نام Naturally Aspirated یا به صورت خلاصه NA شناخته میشوند. برای ورود هوا به سیلندر این موتورها از هیچ وسیله اضافهای استفاده نمیشود و فشار جو و مکش پیستونها، هوایی با فشار برابر با جو وارد سیلندرها میکند.
موتورهای تنفس طبیعی استهلاک کمتری دارند، ساختار سادهتری داشته و البته توان تولیدی آنها نیز از موتورهای توربوشارژر و سوپرشارژر کمتر است. این موتورها تأخیر کمتری در برابر فشردن پدال گاز دارند و به خاطر سادگی، تعمیرات آنها نیز راحتتر است.
از معایب این موتورها نیز میتوان به توان کمتر نسبت به حجم موتور و افت محسوس توان در ارتفاعات اشاره کرد.
موتور سوپرشارژر
سوپرشارژرها عمری بیش از یک قرن دارند و میتوان گفت با رونقگرفتن پیشرانههای بنزینی در دنیای خودرویی، سوپرشارژرها نیز مورد توجه قرار گرفتند. سوپرشارژر برای فشردهسازی هوایی است که به سیلندرها وارد میشود و چون توان لازم برای کار خود را مستقیماً از سر میللنگ دریافت میکند و با هوای داغ اگزوز مثل توربوشارژر در تماس نیست، معمولاً نیازی به خنککنهایی مثل اینترکولر و یا افترکولر نیز ندارد.
سوپرشارژر در تمام دورهای موتور کارایی خود را دارد و بدون تأخیر با سرعت پاسخدهی بالا کار میکند. اما قطعهای گرانقیمت است و هرچند توان خیلی خوبی به قدرت موتور اضافه میکند اما بخشی از توان موتور را نیز برای چرخاندن کمپرسور مصرف خواهد کرد. همچنین جانمایی سوپرشارژر کمی سختتر از توربوشارژر بوده و محدودیتهای خود را دارد.
موتور توربوشارژر
توربوشارژر نیز مثل سوپرشارژر وظیفه دارد تا هوای ارسالی به سیلندرها را فشردهسازی کند. اما توان کاری خود را از گازهای خروجی از اگزوز میگیرد و به همین خاطر دمای هوای توربوشارژر همیشه بالاست و نیاز به خنککنهایی مثل اینترکولر دارد. توربوشارژر به صورت گستردهای در موتورهای بنزینی و دیزلی استفاده میشود و از طرفی چون در کنار موتور قرار میگیرد، مشکل جانمایی آن بسیار کمتر از سوپرشارژر است. اما تأخیر در عملکرد توربوشارژر، نقطه ضعف بزرگ آن هست و از طرفی، حساسیت بالایی به کیفیت روانکاری و روغنکاری موتور داشته و پیچیدگیهای خاص خود را دارد. افزایش چشمگیر قدرت، مصرف سوخت بهتر نسبت به موتور حجیمتر همقدرت و حفظ توان در ارتفاعات از مزایای توربوشارژر است.
موتور تویین شارژر
هم سوپرشارژر و هم توربوشارژر، دارای یک سری مزایا و معایبی هستند که در کنار هم بودن آنها، میتواند مزایای استفاده از آنها را در کنار هم داشته و از طرفی، معایب همدیگر را پوشش دهند. این فرضیه باعث به وجود آمدن سیستم تنفس تویین شارژر شده است که البته هنوز هم چندان رواج نداشته و فقط به صورت محدود توسط برخی از خودروسازان استفاده شده است. مهمترین مشکل در سر راه این سیستم، هزینه بالای آن و جانمایی توربوشاژر و سوپرشارژر در یک پیشرانه است. از مزیتهای سیستم تویین شارژر میتوان به گشتاور بالا در دورهای پایین، قدرت زیاد در دورهای بالا، کاهش تأخیر توربو نام برد و در مقابل، پیچیدگی زیاد و هزینه نگهداری بالا از نکات منفی این سیستم است.
موتور تنفس طبیعی چیست؟
همانطور که در ابتدا و به طور خلاصه گفته شد، موتور تنفس طبیعی به موتوری گفته میشود که هیچ سیستم کمکی برای تنفس آن وجود نداشته باشد. برای درک بهتر این موضع ابتدا رویه کارکرد یک موتور درونسوز از نمونه چهارزمانه را بررسی میکنیم.
در اولین مرحله به نام مکش، با بازشدن سوپاپ هوا، مقداری هوای آزاد جو از طریق منیفولد هوا و سوپاپ هوا وارد سیلندرها میشود. این مکش توسط پیستونها صورت میگیرد و پیستون با پایینرفتن خود، مقداری هوا را نیز وارد سیلندرها میکند. در این مرحله، سوخت نیز به هوای سیلندرها اضافه میشود.
در مرحله بعد، پیستون دوباره بعد از رسیدن به انتهای سیلندر، راه بازگشت به بالای سیلندر را در پیش گرفته و هوا و سوختی که درون سیلندر پاشش شده است را فشرده و متراکم میکند. مدت بسیار کمی قبل از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا، جرقه زده میشود و پیستون بعد از عبور از نقطه مرگ بالا و قرارگرفتن در مسیر رو به پایین، با شدت و قدرت به پایین فرستاده میشود.
حالا در مرحله چهارم و بعد از آزادشدن انرژی سوخت و دریافت آن توسط پیستون، نوبت به تخلیه دود حاصل از این احتراق میرسد که به این مرحله، تخلیه میگوییم و دود این انفجار از طریق سوپاپ دود، به بیرون فرستاده خواهد شد.
منظور از تنفس طبیعی موتور چیست؟
اما تفاوت بین یک موتور تنفس طبیعی و یک موتور سوپرشارژر یا توربوشارژ در اولین مرحله آن هست. جایی که هوای آزاد جو قرار است تا وارد سیلندرها شود. هوا به دو دلیل میتواند وارد سیلندرها شود. اول اینکه سیلندری که از هوا خالی شده است، فشاری کمتری از فشار جو دارد و در نتیجه با باز شدن سوپاپ هوا، هوای آزاد جو بهسرعت وارد سیلندر میشود و دوم اینکه پیستون به عنوان یک مکنده عمل کرده و هوای اطراف را به داخل سیلندرها مکش میکند.
ازآنجاییکه هیچ سیستم کمکی برای ورود هوا به سیلندرها وجود ندارد و هوا با فشار طبیعی خودش و مکش پیستون وارد سیلندر میشود، به این موتورها تنفس طبیعی میگوییم.
کارکرد توربوشارژر و سوپرشارژر چیست؟
هوا در موتورهای تنفس طبیعی به صورت آزاد و با فشار جو وارد سیلندرها میشود. یعنی فشار هوایی که داخل سیلندرها هست و همچنین تراکم آن با هوای بیرون از موتور برابر است. اما وقتی هوا با کمک سیستمی مثل توربوشارژر و یا سوپرشارژر وارد سیلندرها فشرده میشود، تراکم و فشار بالاتری دارد. تعداد مولکولهای اکسیژن نیز در آن بیشتر است و در نتیجه احتراق کاملتری خواهد داشت. این احتراق کاملتر و قویتر به معنی آزادشدن قدرت بیشتر در موتور است.
ضمن اینکه وقتی در ارتفاعات مثل یک منطقه کوهستانی هستیم و از تراکم هوا و تعداد مولکولهای اکسیژن کم میشود، توربوشارژر و یا سوپرشارژر به خاطر فشردهسازی هوا و افزایش تراکم آن، این نقص را برطرف میکنند که باعث کارکرد موتور در یک وضعیت برابر در هر شرایطی میشود.
مزایا و معایب موتور تنفس طبیعی خودرو
موتوره تنفس طبیعی از برخی جهات دارای یک سری امتیازات است که آن را بالاتر از موتورهای توربوشارژ و یا سوپرشارژ قرار میدهد و البته از بعضی جهتها نیز برتری با موتورهای توربوشارژ و یا سوپرشارژ است.
مزایای موتوره تنفس طبیعی
- موتورهای تنفس طبیعی در حالت مجموع، استهلاک کمتری در مقایسه با موتورهای توربوشارژ و یا سوپرشارژ دارند.
- موتورهای تنفس طبیعی، حساسیت بسیاری کمتری نسبت به کیفیت سوخت دارند.
- موتورهای تنفس طبیعی همچنین به کیفیت روانکاری و روغن نیز به اندازه موتورهای توربوشارژ حساس نیستند.
- موتورهای تنفس طبیعی آن سکته و تأخیری که در موتورهای توربو وجود دارد را ندارند.
- موتورهای تنفس طبیعی، پیچیدگی کمتری نسبت به موتورهای پرخوران دارند.
- تعمیر و نگهداری موتورهای تنفس طبیعی راحتتر و کمهزینهتر است.
- به دلیل نبود سیستمهای پرخوران و فشار بوست، دمای کاری موتورهای تنفس طبیعی معمولاً کمتر است.
- در شرایط سخت و استفاده طولانیمدت، موتورهای تنفس طبیعی به خاطر فشار کاری کمتر، قابلیت اعتماد و ضریب اطمینان بالاتری دارند.
معایب موتوره تنفس طبیعی
- موتورهای تنفس طبیعی در مقایسه با موتورهای پرخوران شده، قدرت کمتری نسبت به حجم موتور خود تولید میکنند.
- در بسیاری از موارد، موتورهای تنفس طبیعی گشتاور کمتری نسبت به موتورهای توربوشارژ همحجم تولید میکنند.
- با کاهش فشار هوا در مناطق مرتفع، هوای کمتری وارد سیلندر میشود و از تراکمها کاسته خواهد شد، در نتیجه توان موتور کمتر میشود.
- اگر بخواهیم قدرتی معادل یک موتور توربوشارژ داشته باشیم، معمولاً باید از موتور حجیمتری استفاده کنیم که نتیجه آن مصرف سوخت بیشتر و آلایندگی بالاتر خواهد بود.
- تیونینگ و افزایش قدرت در موتورهای تنفس طبیعی معمولاً هزینهبر است و اگر به سمت پرخوران کردن آنها نخواهیم برویم، افزایش توان چندان چشمگیر نخواهد بود.
روش های تقویت موتور تنفس طبیعی
خودروسازان به طور مداوم در حال کار روی موتورهای خود هستند تا بتوانند راندمان حجمی و حرارتی آنها را بالاتر ببرند. هرچند این روشها روی موتورهای پرخوران شده نیز استفاده میشود و از این بابت تفاوتی ندارد؛ اما این روشها برای افزایش راندمان موتورهای تنفس طبیعی و داشتن یک موتور کمحجم با قدرت مناسب، اهمیت و کارکرد بیشتری دارد. چرا که موتورهای پرخوران شده مثل موتورهای توربو را میتوان با کمی دستکاری در توربوشارژر و تغییر در اندازه آن، به قدرتهای بیشتری نیز رساند.
افزایش حجم موتور
هرچه حجم موتور بیشتر باشد هوای بیشتری وارد سیلندر میشود و در نتیجه با همراه شدن با مقدار بیشتری از سوخت، قدرت و گشتاور موتور نیز بالاتر میرود.
تعداد سوپاپها
موتورهای ۱۶ سوپاپ و ۲۴ سوپاپ هوارسانی بهتری نسبت به نمونههای ۸ سوپاپ دارند. به طور کلی هرچه تنفس موتور بهتر و راحتتر انجام شود، راندمان حجمی افزایش پیدا خواهد کرد. در کنار تعداد بیشتر سوپاپها، اندازه آنها نیز مهم است.
طراحی منیفولد هوا
طول و قطر مجاری ورودی مستقیماً روی گشتاور و توان اثر میگذارد. طراحی منیفولد هوا و چگونگی ورود هوا به سیلندرها، اثر محسوسی در قدرت تولیدی موتور دارد. طراحی این بخش به شکل مستقیم روی نمودار گشتاور و قدرت موتور، نقاط ماکزیمم و شیب نمودار اثر دارد و خودروسازان بر این اساس میتوانند روی گشتاور موتور در دورهای پایین و بالا، کار کنند.
افزایش ضریب تراکم
موتورهای تنفس طبیعی به خاطر اینکه داستانهایی مثل تراکم هوا و یا دمای بالای هوای ورودی به موتور به خاطر متراکم شدن توسط توربوشارژ را ندارند، این توانایی را دارند که با ضریب تراکمهای بالاتری طراحی شوند. این کار باعث میشود تا هرچند که به کیفیت بنزین کمی حساستر شوند؛ اما در عوض به قدرت بیشتری برسند.
زمانبندی سوپاپها
سیستمهای زمانبندی متغیر سوپاپ میتوانند بازده حجمی را افزایش دهد. زمانبندی سوپاپها و تغییر در زمان باز شدن آنها اثر مثبتی روی قدرت تولیدی و همچنین گشتاور پیشرانه چه در دورهای پایین و چه دورهای بالای موتور دارد.
طراحی منیفولد دود
هرچند که طراحی منیفولد دود به اندازه منیفولد هوا در قدرت و گشتاور موتور تأثیر ندارد؛ اما بیتأثیر هم نیست و شرکتهایی که روی چند اسب بخار افزایش قدرت و گشتاور حساب میکند، از این بخش نیز بدون توجه نمیگذرند.
سیستم پاشش سوخت
فشار سوخت در پشت انژکتورها، شکل پاشش سوخت و اینکه زاویه پاشش سوخت به چه شکلی باشد که بیشترین اختلاط با هوا را داشته باشد، باعث میشود تا مخلوط سوخت و هوا به شکل کاملتری بسوزند. فلسفه پیدایش سیستم تزریق مستقیم سوخت و یا تعداد سوراخهای انژکتورها بر همین اساس است.
طراحی قطعات داخلی
تغییرات اندکی روی برخی از قطعات داخلی موتورها از جمله میللنگ، میلسوپاپ، اندازه و وزن پیستون، فلایویل و… در قدرت و گشتاور موتور تأثیر محسوسی دارند.
اثر ارتفاع از سطح دریا در موتورهای تنفس طبیعی
یک حقیقت در باره موتورهای تنفس طبیعی درباره اثر ارتفاع از سطح دریا روی قدرت تولیدی آنهاست. با افزایش ارتفاع، چگالی هوا کاهش مییابد و اکسیژن کمتری وارد موتور خواهد شد. در نتیجه از کیفیت احتراق کاسته میشود و توان تولیدی موتور کاهش پیدا میکند. یک قاعده و قانون تقریبی دراینبین وجود دارد که میگوید با هر 1000 متر افزایش ارتفاع، حدود 10 درصد افت توان در موتور تنفس طبیعی خواهیم داشت.
این تأثیر روی موتورهای پرخوران شده بسیار کمتر است. چرا که توربوشارژر یا سوپرشارژر با متراکمکردن هوا و افزایش چگالی آن، این نقص را جبران میکنند.
موتورهای پرخوران یا تنفس طبیعی؟
امروزه همانطور که میبینیم حتی شرکتهایی که قبلاً در برابر موتورهای پرخوران گارد و مقاومت داشتند نیز به سمت استفاده از موتورهای توربوشارژ و یا سوپرشارژ رفتهاند. رویه نصب توربوشارژر و سوپرشارژر حتی به خودروهای ارزانقیمت و اقتصادی نیز رسیده است و در واقع یکی از راههای میانبر برای رسیدن به قدرت مناسب بدون نیاز به هزینه گزاف برای ساخت موتورهای حجیم و پرقدرت شده است که اتفاقاً منجر به کاهش هزینههای طراحی و ساخت موتورهای حجیم و بزرگ و قدرتمند برای خودروسازان نیز میشود.
ازاینرو بسیاری از خودروهای امروزی خصوصاً نمونههای هیبریدی با موتورهای کمحجم اما مجهز به توربوشارژر عرضه میشوند. پرخوران کردن موتورهای تنفس طبیعی باعث افزایش راندمان آنها میشود و به این ترتیب میتوان از یک موتور کمحجمتر، قدرت و گشتاوری برابر با یک موتور حجیم و سنگین گرفت. هرچند که موتورهای توربوشارژ شده نیز معایب خاص خود را دارند که مهمترین آنها، استهلاک بالاتر است اما مصرف سوخت بهینهتر باعث شده است تا امروزه استفاده گستردهای از آنها شود. اما با توجه به قوانین سختگیرانه آلایندگی در استانداردهای یورو، شرکتهای خودروسازی مجبور به ساخت موتورهای کوچک و کمحجم هستند تا در کنار مصرف سوخت کمتر، آلایندگی پایینتری نیز داشته باشند. اما برای جبران حجم پایین این موتورها، باید از سیستمهای پرخوران مثل توربو استفاده کنند.
ولی این وسط، موتورهای تنفس طبیعی نیز طرفداران پروپاقرص خود را دارند و هنوز هم بسیاری از خریداران ترجیح میدهند تا صدای خاص یک موتور تنفس طبیعی و خصوصاً حجیمتر را بشنوند تا زوزههای توربوشارژر یا سوپرشارژر را. به همین خاطر هم موتورهای تنفس طبیعی همچنان در سبد محصولات خودروسازان دیده میشود. ضمن اینکه سوپرشارژر و خصوصاً توربوشارژر نیز مشکلات خاص خود را دارند.
فراری و لامبورگینی از جمله خودروسازانی هستند که مقاومت زیادی در برابر رفتن به سمت موتورهای پرخوران کردند اما بالاخره فراری در سال 2014، اولین موتور توربوشارژ خود را عرضه کرد و سپس موتورهای هشت سیلندر این شرکت با توربو عرضه شدند. اما لامبورگینی هنوز هم در مقابل توربوکردن موتورهایش مقاومت کرده و موتورهای V10 و V12 خود را به صورت تنفس طبیعی و نهایتا به صورت هیبریدی عرضه میکند تا بتواند به نوعی جای توربو را به منظور افزایش قدرت موتورهایش پر کند.
جمعبندی
موتورهای تنفس طبیعی هنوز هم برای بسیاری از علاقهمندان به خودرو دارای ارزش و جایگاه خاصی است که موتورهای پرخوران شده، آن را ندارند. به همین خاطر هم هنوز شرکتهای خودروسازی به استفاده از موتورهای تنفس طبیعی ادامه میدهند. از مزایای موتورهای تنفس طبیعی میتوان به قابلیت اطمینان بالاتر، حساسیت کمتر به کیفیت سوخت، پاسخدهی سریع به پدال گاز، استهلاک پایینتر، هزینه تعمیر کمتر، ساختار سادهتر، حساسیت کمتر نسبت به روانکاری و… اشاره کرد. از معایب و نکات منفی موتورهای تنفس طبیعی نیز باید به مواردی مثل نیاز به حجم موتور بیشتر برای قدرت بالا، محدودیت در افزایش توان، مصرف سوخت بیشتر برای قدرت مشابه، گشتاور کمتر نسبت به موتورهای توربو، افت توان در ارتفاعات، قدرت کمتر نسبت به حجم موتور اشاره کرد. قیمت خودرو با موتور تنفس طبیعی معمولا کمتر از خودرو با موتور توربو است و در حال حاضر بیشترین فروش خودرو نیز برای موتور توربو است.
سوالات متداول
- منظور از موتور تنفس طبیعی چیست؟
منظور موتوری است که بدون هیچگونه سیستم پرخوران مثل توربوشارژر یا سوپرشارژر و فقط بر اساس فشار هوای آزاد و مکش پیستون، هوا وارد سیلندرهای آن میشود. این موتورها به اختصار به نام NA engine شناخته میشوند که مخفف عبارت Naturally Aspirated است. - آیا موتورهای تنفس طبیعی هنوز هم تولید میشوند؟
بله، با وجود حضور بسیار زیاد توربوشارژر در دنیای خودروسازی، ما هنوز هم موتورهای زیادی در دنیا به صورت تنفس طبیعی ساخته میشوند که مهمترین امتیاز این موتورها، پایینتر بودن استهلاک آنها و ضریب اطمینان بالاتر این موتورهاست.
نویسنده: علیرضا داودی
فروش خودرو
قیمت روز خودرو
تخمین قیمت
خرید خودرو
کسب درآمد از خودرو۴۵
مشخصات شما
برای ثبت نظر مشخصات خود را وارد کنید