قدرت و گشتاور در موتورهای احتراق داخلی

کار ((Work :

زمانی که نیرو وارد شده روی یک جسم باعث تغییر مکان آن بشود ، روی آن جسم کار صورت گرفته است .مقدار آن برابر

نیرو × جابجایی است . در سیستم SI واحد نیرو نیوتن است که طبق تعریف برابر نیرویی است که به واحد جرم (Kg) ، شتابی معادل (1m/s) می دهد. واحد دیگری که از آن استفاده می شود ، کیلو گرم نیرو (Kgf) است که نیرویی است که به واحد جرم شتابی معادل شتاب ثقل (9.81m/s²) می دهد. واحد های مشابهی در سیستم انگلیسی مانند پوند جرم و پوند نیرو نیز کاربرد دارند.

گشتاور : (Torque)

حرکت دورانی ای که بر یک جسم یا محور اعمال می شود، گشتاور نام دارد که عبارت است از ، نیرو × بازوی اعمال نیرو.

(بازوی اعمال نیرو برابر فاصله ی عمودی راستای نیرو تا مرکز گردش است). منظور از گشتاور موتور اتومبیل ، گشتاور وارد به میل لنگ می باشد. واحد گشتاور در SI نیوتن-متر(N.m) و در سیستم انگلیسی پوند-فوت(lb.ft) است. در تبدیل این واحد ها به یکدیگر داریم :( 1 lb.ft =1.356 N.m )

باید توجه داشت که ، با آ نکه در ظاهر گشتاور و کار هر دو از حاصل ضرب نیرو و فاصله بدست می آید ، ولی یک اختلاف در فیزیک این دو وجود دارد ، به این ترتیب که گشتاور وارد شده به یک جسم لزومی برای گردش آن ایجاد نمی کند ولی چنانچه نیروی وارد شده بر یک جسم باعث حرکت ان نشود کار انجام نشده . در موتور اتومبیل گشتاور تولید شده همواره باعث گردش میل لنگ مشود .

قدرت (Power) :

قدرت یا توان برابر کار انجام شده در واحد زمان یا گشتاور اعمال شده در سرعت زاویه ای (رادیان بر ثانیه) است . واحد آن در سیستم متریک وات (W) یا کیلو وات (kW)است و در سیستم انگلیسی اسب بخار (HP) است.

, 1W=N.m/s اسب بخار انگلیسی , HP=550 lb.ft/s اسب بخار متریک HP=75 Kg.m/s

در تبدیل ان واحد ها به یکدیگر داریم :

متریکHP 1.36 = انگلیسی1kW = 1.34 HP

حجم جابجایی موتور((Engine Displacement Volume:

منظور از این عبارت ، حجم جابجایی موتور است . حجم جابجایی هر سیلندر برابر با حجم جاروب شده توسط پیستون در یک کورس حرکت(Stroke) خود است که برابر فاصله ی بین نقطه ی مرگ بالا TCو نقطه ی مرگ پایینBC می باشد .

حجم موتور برابر است با : V=n×π×L×(d/2)² که در این رابطه n تعداد سیلندر ، L کورس پیستون ، d قطر پیستون و V حجم موتور است ، که معمولا با cc ، لیتر یا in³ بیان می شود.

از آنجا که حجم موتور نشان دهنده ی میزان هوا یا مخلوطی است که موتور می تواند به درون بکشد ، تا برای احتراق مورد استفاده قرار دهد ، بنابراین عامل تعیین کننده ای در توانایی تولید قدرت و گشتاور توسط موتور است .

نسبت قطر سیلندر و کورس پیستون هم در قدرت و گشتاور تولید شده تاثیر دارند ولی مطالب مربوط به آنها از حوصله ی این نوشته خارج است ، و در کتاب های طراحی موتور به صورت کامل بیان شده است .

نسبت تراکم ((Compression Ratio :

نسبت تراکم نشان دهنده ی میزان فشرده شدن گاز در داخل سیلندر بوده و عبارت است از نسبت بیشترین حجم سیلندر ،یعنی زمانی که پیستون در نقطه ی مرگ پایین است ، به کمترین حجم سیلندر یعنی زمانی که پیستون در نقطه ی مرگ بالا است.

هر چه نسبت تراکم یک موتور بیشتر باشد ، قدرت و گشتاور بیشتری می تواند تولید کند ، این نسبت هم دارای محدودیت هایی است .

راندمان حجمی (Volumetric Efficiency) :

راندمان حجمی عبارت است از نسبت حجمی از هوا ، در فشار و دمای اتمسفر که در زمان مکش ، به داخل سیلندر کشیده می شود ، به حجم سیلندر . این مقدار به صورت درصدی ، بیان می شود و مقدار ایده آل آن 100% است. ولی به علت افت فشار سیال ( جریان هوا یا مخلوط سوخت-هوا ) در داخل سیستم تغذیه (از فیلتر هوا تا داخل سیلندر ) ، مانع ایجاد شده به وسیله ی سوپاپ ها و زمان بندی آن ها و از این دست مسا ئل ، همواره مقدار واقعی کمتر از 100% است . با افزایش ارتفاع از سطح دریا که فشار کم می شود ، راندمان حجمی موتور هم کم می شود ، چون این اختلاف فشار بین بیرون و داخل سیلندر است که عامل جریان یافتن سیال به داخل سیلندر است .

رسیدن به راندمان 100% و حتی بالا تر از 100% تنها با تغذیه ی اضافی یا پرخورانی موتور ممکن است . در این حالت هوا به صورت اجباری توسط سوپرشارژر (Supercharger) یا توربوشارژر (Turbocharger) به داخل سیلندر فرستاده می شود . عمل تغذیه ی اضافی موتور را با هر وسیله ای که انجام شود ، سوپرشارژ کردن (Supercharging) موتور می نامند . یکی از راه های افزایش قدرت و گشتاور موتور ، افزایش راندمان حجمی آن است .

عملکرد موتورها (Engins Performance) :

موتورهای درون سوز برای شروع به کار ، نیازمند رسیدن به یک سرعت اولیه ی مشخص می باشند ، این سرعت اولیه توسط استارت تامین می شود. پس از روشن شدن ، کمترین دور ممکن برای ادامه ی کار موتور ، دور آرام (Idle) نامیده می شود . با افزایش دور موتور از دور آرام ، قدرت و گشتاور تولید شده توسط آن ابتدا به سرعت افزایش یافته و پس از رسیدن به یک دور مشخص گشتاور به ماکزیمم خود می رسد . از این دور به بعد گشتاور رو به کاهش می گذارد . علت اساسی این کاهش پایین آمدن راندمان حجمی موتور است ، که خود به دلیل کاهش زمان لازم برای پر و خالی شدن سیلندر ها ، افت فشار در سیستم تغذیه ی موتور و مشکلات ناشی از زمان بندی سوپاپ ها که همه زایده ی دور زیاد موتور هستند ، ایجاد می گردد . معمولا ماکزیمم گشتاور در دوری بدست می آید که ماکزیمم راندمان حجمی وجود دارد . از این دور به بعد قدرت تا مدتی باز هم افزایش می یابد ولی با شدتی کمتر از قبل ؛ علت این موضوع با رابطه ی بین قدرت و گشتاور (P=T×ω) توجیه می شود . به این ترتیب که تا دور ماکزیمم گشتاور ، هم دور موتور و هم گشتاور در حال افزایش هستند و لذا قدرت هم به شدت افزایش می یابد . از دور ماکزیمم گشتاور به بعد ، گشتاور رو به کاهش می گذارد ؛ اما باز هم افزایش دور موتور، تا دور مشخصی ، بر کاهش گشتاور غالب است و لذا قدرت هنوز افزایش می یابد ولی با شدتی کمتر از قبل . از یک دور به بعد ، که در آن دور قدرت به ماکزیمم خود رسیده ، اثر کاهش گشتاور ، بیشتر از افزایش دور موتور می شود و از این دور به بعد قدرت هم کم می شود .

برای موتور ها معمولا تنها اعداد ماکزیمم گشتاور و قدرت در دور معین بیان می شود . با اینکه این اعداد برای مقایسه مفیدهستند ، ولی بیانگر تمام جنبه های عملکردی موتور نیستند ،زیرا هر موتور در هر دور معین یک قدرت و یک گشتاور مشخص تولید می کند . اگربخواهیم اطلاعات دقیقی از عملکرد یک موتور بدست آوریم ، باید منحنی های تغییر گشتاور و قدرت تولید شده توسط آن را ،در تمام دورها بررسی کنیم . ممکن است یک موتور ماکزیمم گشتاور بالایی داشته باشد ، که

مطلوب بنظر می رسد ، اما در طرفین ماکزیمم ، گشتاور افت بسیار زیادی داشته باشد و همچنین ممکن است ماکزیمم

گشتاور موتوری دیگر کمتر ، اما توزیع آن بسیار مناسب تر باشد ، به طوری که در اطراف نقطه ی ماکزیمم ، کسر زیادی

از مقدار ماکزیمم در دسترس باشد .

تلاش طراحان موتور بر این است که موتور، بیشترین گشتاور خود را در تمام محدوده ی کاری خود تولید نماید . برای دستیابی به این منظور ازمانیفولدهای تغذیه با مقطع بزرگ و سیستم اگزوز با کمترین پس فشار (Back Pressure) می توان استفاده کرد . این مسائل باعث بهبود تنفس و تولید قدرت بیشتردر دورهای بالا می گردد .

شکل شماره ی 1، منحنی های تغیرات قدرت و گشتاور بر حسب دور موتور در حالت حداکثر گاز (Full Throttle) را برای موتور 2 لیتری توربوی آئودی 1991-20V Turbo Quattro نشان می دهد .منحنی ای که شیب بیشتری دارد مربوط به منحنی تغییرات قدرت و منحنی دیگر مربوط به تغییرات گشتاور است . محور عمودی چپ ، محور قدرت و محور عمودی راست محور گشتاور بوده و محور افقی محور دور موتور بر مبنای دور بر دقیقه (rpm) است .

ماکزیمم گشتاور این موتور N.m310 در rpm2000 و ماکزیمم قدرت آنkW=217HP 155 در rpm5700 است .

با دقت در شکل می توان دید که ، نرخ افزایش قدرت (شیب منحنی قدرت) از دور ماکزیمم گشتاور به تدریج کم شده و پس از رسیدن به نقطه ی ماکزیمم خود ، به شدت کاهش می یابد .

شکل شماره ی 2، منحنی های تغییرات گشتاور و قدرت وm.e.p. را بر حسب دور موتور را برای حالت تمام گاز ، برای موتور 4.2 لیتری با تنفس طبیعی آئودی 1992-V8 را نشان می دهد . ماکزیمم گشتاور این موتور در دور موتور 4000 rpm برابر باlb-ft 276 است و قدرت آن در rpm 5800 به مقدار حداکثر HP 295 می رسد . در بررسی نمودار به مشاهداتی که در جدول قبل بیان شد ، خواهیم رسید .

با دقت در منحنی فشار موثر میانگین ( mep or Mean Effective Pressure) می توان دقیقا به رابطه ی گشتاور ایجاد شده و راندمان حجمی پی برد .

در مقایسه ی شکل 1و 2 ، به سهولت می توان شکل منحنی m.e.p. را در شکل 1 پیشبینی کرد . در بررسی منحنی های گشتاور و قدرت در دو شکل می توان به عملکرد توربوشارژر در بالا بردن راندمان حجمی و در نتیجه هموار شدن نمودار گشتاور پی برد .

در موتور توربوشارژ شده ماکزیمم گشتاور در دور موتور پایین تری بدست آمده و بعد از رسیدن به ماکزیمم افت گشتاور به کندی صورت می گیرد ، که این باعث پیدا شدن یک شیب مناسب برای قدرت موتور می شود و موتور می تواند در دورهای مختلف ، توانایی خود را در شتاب گیری آشکار سازد. این در حالی است که در موتورهای تنفس طبیعی به دلیل تخت نبودن منحنی گشتاور ، توان مناسب برای شتاب گیری تنها در محدوده ی کوچکی از دورهای موتور ، که در آن گشتاوری نزدیک به گشتاور ماکزیمم تولید می شود ، قابل دسترسی خواهد بود .

اگر بخش زیادی از گشتاور در دور موتور پایین قابل دسترس باشد ، موتور تولید شده از نظر مصرف سوخت ، موتوری اقتصادی خواهد بود . معمولا کمترین مصرف سوخت زمانی نتیجه می شود که حرکت در دنده ی مناسب و با بیشترین گشتاور تولید شده توسط موتور انجام شود .

توجه به این نکته قابل اهمیت است که ، گشتاور موتور تا رسیدن به چرخ های متحرک اتومبیل در گیربکس و دیفرنسیال ، متناسب با نسبت دنده های آن ها قابل تغییر است .

استانداردهای اندازه گیری قدرت و گشتاور موتور :

شاخصی که معمولا برای قدرت موتورها عنوان می شود ، توان ترمزی (BHP or Brake Horse Power) است این نام از نوعی ترمز موتور که برای اندازه گیری قدرت موتور استفاده می شده به جا مانده است ؛ امروزه این دستگاه جای خود را به دینامومتر داده است . دینامومتر وسیله ای شبیه به یک دینام الکتریکی است که برای جذب قدرت موتور استفاده می شود .

توان موتور را بعلاوه از روش های خط ویلان ، آزمایش مورس ، آزمایش موتور گردانی و روش شتاب معکوس نیز می توان سنجید .

توان ترمزی را می توان میزان قدرتی تعریف کرد که در محل فلایویل موتور قابل دسترس است و می تواند صرف به حرکت درآوردن اتومبیل شود . این میزان قدرت برابر است با میزان قدرتی که از احتراق حاصل می شود ، منهای قدرتی که برای غلبه بر اصطکاک داخلی ، خنک کاری موتور و گرداندن متعلقات موتور ، صرف می شود . البته تلفات حرارتی نباید نادیده گرفته شوند .

توان ترمزی به صورت خالص (Net) و ناخالص (Gross) عنوان می شود . توان خالص ، مقدار اندازه گیری شده در حالتی از آزمایش موتور است که کلیه ی متعلقات لازم برای بکارگیری موتور در مورد کاربرد عملی، شامل پمپ روغن ، پمپ آب ، پروانه ی رادیاتور ، دینام وسیستم استاندارد اگزوز اتومبیل ، روی آن نصب شده اند ؛ که هر یک از این وسایل کمی از توان مفید موتور را می کاهند . رقم ناخالص مربوط به حالتی است که همه یا برخی از این متعلقات در هنگام آزمایش روی موتور نصب نشده باشند .

مقادیرناخالص معمولا بین 10 تا 20 درصد بیشتر از مقادیرخالص هستند . بدیهی است که قدرت خالص موتور مقیاس دقیق تری برای ارائه ی مشخصات فنی موتور است ، بنابراین امروزه تمام سازندگان موظف به ارائه ی ارقام خالص جهت معرفی محصولات خود هستند .

راندمان حجمی موتور و راندمان حرارتی ترمزی (محوری) ، راندمان حرارتی اندیکاتوری ، راندمان مکانیکی ، راندمان روبشی ، راندمان نسبی ، راندمان تغذیه و راندمان احتراقی بر میزان توان و گشتاور تاثیر گذارند که بررسی همه ی این مسائل در این نوشتار ممکن نبود .

مراجع :

1- موتورهای دیزل ، نوشته ی اد می ، ترجمه ی امینی – افقی ، انتشارات کارنو ، 1381

2- موتورهای احتراق داخلی ، نوشته ی برات قبادیان ، انتشارات دانشگاه شهرکرد ، 1380

3- www.SJM Autotechnik.com

** برای مشاهده ی چند نمودار تورک / قدرت -دور موتور به سایت زیر مراجعه کنید:

http://www.sjmautotechnik.com/trouble_shooting/hpgraph.html#200t