حجم موتور چیست و چرا اهمیت دارد؟

حجم موتور یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های خودرو است که خریداران باتجربه هنگام مقایسهٔ خودروها به آن توجه می‌کنند. به‌طورکلی، حجم موتور مستقیماً با خواسته‌هایی که خریداران از خودرو دارند مرتبط خواهد بود. به‌عنوان‌مثال، پیشرانه‌های بزرگ‌تر مثل چیزی که در مدل‌های اسپرت می‌بینیم، قدرت بیشتری دارند درحالی‌که پیشرانه‌های کوچک‌تر مصرف سوخت پایینی دارند. به عددی که اندازهٔ موتور را نشان می‌دهد حجم موتور گفته می‌شود. هرچند سیلندرهای بیشتر در یک پیشرانه می‌تواند به معنای قدرت بیشتر باشد اما لزوماً این‌طور نیست و این حجم موتور است که نقش بیشتری در تولید قدرت و گشتاور دارد. در ادامه به بررسی دقیق حجم موتور و دلایل اهمیت آن خواهیم پرداخت.

حجم موتور چیست؟

پیشرانهٔ درون‌سوز از تعدادی سیلندر تشکیل شده است و سیلندر لوله‌ای استوانه‌ای است که پیستون در آن بالا و پایین می‌رود. در سیلندر، به جایی که پیستون به بالاترین حد خود می‌رسد نقطهٔ مرگ بالا و به جایی که پیستون به پایین‌ترین حد خود می‌رسد نقطهٔ مرگ پایین گفته می‌شود. به حدفاصل این دو نقطه، کورس پیستون یا Stroke گفته می‌شود. کورس پیستون در ترکیب با قطر دایرهٔ سیلندر که به آن Bore گفته می‌شود، حجم هر سیلندر را مشخص می‌کند و وقتی این عدد ضرب‌در تعداد سیلندرها شود، حجم موتور به دست می‌آید. به عبارت ساده‌تر، به میزان فضایی که در داخل موتور سوخت و هوا باهم ترکیب می‌شود، حجم موتور گفته می‌شود.

نحوهٔ محاسبهٔ حجم موتور

همان‌طور که اشاره شد، به قطر دایرهٔ سیلندر Bore گفته می‌شود اما برای محاسبهٔ حجم موتور نمی‌توان صرفاً قطر سیلندر را در کورس پیستون ضرب کرد بلکه باید ابتدا مساحت دایرهٔ سیلندر را به دست آورد. برای این کار، باید شعاع سیلندر یعنی نصف Bore یا قطر سیلندر را ضرب‌در خودش و سپس ضرب‌در عدد پی (۳.۱۴) کرد. از این طریق، مساحت دایرهٔ سیلندر مشخص می‌شود و حالا این عدد را در کورس پیستون ضرب می‌کنم تا حجم هر استوانهٔ سیلندر به دست آید. سپس عدد حاصل در تعداد سیلندرها ضرب می‌شود تا به حجم کل موتور برسیم.

با یک مثال این موضوع را روشن‌تر می‌کنیم. در پیشرانهٔ TU5، قطر سیلندر ۷.۸۵ سانتی‌متر و کورس پیستون ۸.۲ سانتی‌متر است. ابتدا شعاع سیلندر که نصف قطر یعنی ۳.۹۲۵ سانتی‌متر است را ضرب‌در خودش می‌کنیم و به عدد ۱۵.۴۰۵ می‌رسیم. این عدد را در عدد پی یعنی ۳.۱۴ ضرب می‌کنیم و به ۴۸.۳۷۱ می‌رسیم. این عدد مساحت دایرهٔ هر سیلندر است و وقتی در کورس پیستون یعنی ۸.۲ ضرب شود، حاصل ۳۹۶.۶۴۷ بود که حجم هر سیلندر از موتور TU5 به سی‌سی را نشان می‌دهد. حال این عدد وقتی در تعداد سیلندرهای موتور یعنی ۴ ضرب شود، حاصل ۱۵۸۶ خواهد بود که حجم دقیق موتور TU5 را به سی‌سی نشان می‌دهد.

آیا پیشرانهٔ بزرگ‌تر بهتر است؟

در گذشته، اصلی‌ترین راه برای بیرون کشیدن قدرت بیشتر از موتور، افزایش حجم موتور از طریق افزایش قطر سیلندر یا کورس پیستون بود. هرچند هنوز هم این یک راه‌حل برای رسیدن به قدرت بیشتر محسوب می‌شود اما امروز بجای تغییر فیزیکی بلوک موتور، راه‌های عملی و مقرون‌به‌صرفه‌تری هم برای این کار وجود دارد. در این رابطه، قبلاً ضرب‌المثلی وجود داشت که می‌گفت «هیچ جایگزینی برای حجم موتور وجود ندارد» اما این ضرب‌المثل امروزه با القای اجباری گسترهٔ پیشرانه‌ها و الکتریکی‌سازی، دیگر صادق نخواهد بود. البته خیلی‌ها معتقدند افزایش حجم موتور هنوز هم بهترین راه برای دستیابی به قدرت بیشتر محسوب می‌شود زیرا افزودن قطعاتی مثل توربوشارژر، بار و استرس بیشتری را به قطعات موتور اضافه می‌کند و ممکن است روی دوام آن تأثیر منفی بگذارد.

حجم موتور چطور روی قدرت تولیدی تأثیر می‌گذارد؟

پیشرانهٔ درون‌سوز اساساً یک پمپ است که هوا را به داخل می‌کشد و از طریق ترکیب آن با سوخت قابل اشتعال و منفجر کردن این ترکیب، نیرو تولید می‌کند. هرچه یک پیشرانه سیلندرهای بیشتری داشته باشد، حجم بیشتری خواهد داشت و درنتیجه هوای بیشتری را می‌تواند به داخل خود بکشد. البته می‌توان از تعداد سیلندرهای کمتر ولی با اندازهٔ بزرگ‌تر هم استفاده کرد اما به‌طورکلی، میزان قدرت تولیدی موتور به مقدار هوایی بستگی دارد که وارد آن می‌شود. با ورود هوای بیشتر، موتور می‌تواند قدرت بیشتری تولید کند. البته متغیرهای دیگری هم در این زمینه نقش دارند اما به زبان ساده، با وجود هوای بیشتر در داخل موتور، می‌توان سوخت بیشتری را هم به موتور تزریق کرد و هرچه سوخت بیشتری با هوا مخلوط شود، ترکیبی که در هر سیلندر برای به حرکت درآوردن پیستون شکل می‌گیرد غنی‌تر خواهد شد. به‌طور خلاصه، هوای بیشتر به معنای سوخت بیشتر و درنتیجه تولید قدرت بیشتر خواهد بود.

چگونه می‌توان حجم موتور را تغییر داد؟

برای افزایش حجم موتور دو راه وجود دارد، تغییر قطر سیلندر یا کورس پیستون. با افزایش هرکدام از این موارد، مقدار هوایی که وارد موتور می‌شود بیشتر خواهد شد و درنتیجه قدرت افزایش پیدا می‌کند؛ بنابراین، برای افزایش قدرت موتور می‌توان قطر سیلندر یا کورس پیستون را افزایش داد. البته گاهی اوقات با کاهش دادن کورس پیستون هم می‌توان قدرت را بیشتر کرد زیرا با محدود شدن میزان حرکت پیستون، با هر احتراق قدرت بیشتری تولید خواهد شد. به همین دلیل است که برخی از قوی‌ترین پیشرانه‌های جهان مثل موتورهای فراری قطر سیلندر بزرگ و کورس پیستون کوتاهی دارند.

تأثیر تغییر قطر سیلندر یا کورس پیستون روی قدرت

وقتی کورس پیستون کوتاه‌تر شود، چرخهٔ احتراق کوتاه‌تر می‌شود و میل‌لنگ در هر دقیق بیشتر می‌چرخد. rpm بیشتر به معنای احتراق بیشتر در هر دقیقه و درنتیجه تولید قدرت بیشتر خواهد بود. از سوی دیگر، کورس طولانی‌تر پیستون باعث ورود مخلوط سوخت و هوای بیشتری به محفظهٔ سیلندر می‌شود و پیستون را در مسافت طولانی‌تری به حرکت درمی‌آورد. این موضوع روی تولید گشتاور در دورهای پایین تأثیر می‌گذارد زیرا میل‌لنگ در هر دقیقه کمتر می‌چرخد. در جدول زیر می‌توانید تکامل پیشرانهٔ V8 پونتیاک را ببینید که تغییر حجم موتور درنتیجهٔ افزایش قطر سیلندر یا کورس پیستون و افزایش قدرت و گشتاور را بنشان می‌دهد.

تأثیر دیگر متغیرها روی قدرت

غیر از حجم موتور، متغیرهای دیگری هم وجود دارند که می‌توانند باعث شوند موتور قدرت بیشتری تولید کند. یکی از بزرگ‌ترین موارد، القای اجباری یعنی توربوشارژر یا سوپرشارژر است. از این طریق، هوای بیشتری وارد سیلندر می‌شود و درنتیجه سیستم سوخت‌رسانی هم سوخت بیشتری را به داخل سیلندر می‌فرستد و مخلوط متراکم‌تری برای احتراق تولید می‌شود.

علاوه بر این، با تغییر طرح پیستون و سرسیلندر هم می‌توان حجم مخلوط سوخت و هوایی که به داخل محفظهٔ احتراق کشیده می‌شود و میزان فشرده شدن این مخلوط را تغییر داد. با افزایش تراکم این مخلوط، قدرت بیشتری تولید خواهد شد. با استفاده از سرسیلندرهای گنبدی شکل که به همی شهرت دارند، می‌توان تراکم را افزایش داد. تغییر واشر سرسیلندر یا کوتاه‌تر کردن سرسیلندر هم می‌تواند باعث افزایش تراکم مخلوط سوخت و هوا در موتور شود. تأثیر طراحی سرسیلندر بر قدرت و گشتاور یک پیشرانهٔ یکسان را می‌توانید در جدول زیر ببینید.

نسبت تراکم چیست؟

نسبت تراکم هم یکی دیگر از پارامترهای پیشرانه است که می‌تواند روی میزان قدرت تولیدی تأثیر بگذارد. نسبت تراکم، نسبت بین مقدار حجم سیلندر در زمانی که پیستون در نقطۀ مرگ پایین قرار دارد با زمانی است که پیستون در نقطۀ مرگ بالا یا همان حالت تراکم قرار می‌گیرد. به‌عنوان‌مثال، در پیشرانه‌ای که نسبت تراکم آن ۱۱ به یک است، یعنی حجم سیلندر در متراکم‌ترین حالت (وقتی پیستون در بالاترین حالت خود قرار می‌گیرد) یک یازدهم حالتی است که سیلندر در بازترین حالت خود (وقتی پیستون در پایین‌ترین حالت خود قرار می‌گیرد) قرار دارد. هرچه نسبت تراکم موتور بیشتر باشد، راندمان آن‌هم بیشتر خواهد بود. درواقع، در موتوری که نسبت تراکم بالایی دارد، مخلوط سوخت و هوا بیشتر متراکم می‌شود. تأثیر افزایش نسبت تراکم بر قدرت یک پیشرانهٔ یکسان را می‌توانید در جدول زیر ببینید.