موتور احتراق داخلی (Internal Combustion Engine – ICE)، قلب تپنده اکثر خودروها و بسیاری دیگر از وسایل نقلیه در بیش از یک قرن گذشته بوده است. این نوع موتور، با سوزاندن سوخت در داخل محفظه‌هایی به نام سیلندر، انرژی شیمیایی را به انرژی حرارتی تبدیل کرده و سپس این انرژی حرارتی را به کار مکانیکی (حرکت دورانی) تبدیل می‌کند تا خودرو را به حرکت درآورد. موتورهای احتراق داخلی نقشی محوری در تاریخ خودرو و توسعه حمل و نقل ایفا کرده‌اند و با وجود ظهور فناوری‌های جدیدتر مانند پیشرانه‌های الکتریکی، همچنان بخش بزرگی از ناوگان خودروهای فعلی در جهان را تشکیل می‌دهند.
مفهوم، تعریف و نقش محوری موتور احتراق داخلی در تاریخ خودرو
مفهوم موتور احتراق داخلی در این است که فرآیند تولید توان از طریق احتراق سوخت در داخل موتور انجام می‌شود، برخلاف موتورهای احتراق خارجی (مانند موتورهای بخار) که سوخت در خارج از موتور سوزانده شده و حرارت تولیدی برای گرم کردن سیال دیگری استفاده می‌شود. تعریف موتور احتراق داخلی بر پایه این فرآیند درونی تولید حرارت و تبدیل آن به کار مکانیکی از طریق حرکت پیستون‌ها در سیلندرها و چرخش میل‌لنگ استوار است.
نقش محوری در تاریخ خودرو این موتورها غیرقابل انکار است؛ اختراع و توسعه موتور احتراق داخلی در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم، امکان طراحی و ساخت خودروهای خودران را فراهم کرد و به سرعت جایگزین سیستم‌های پیشرانه قبلی مانند موتور بخار شد. برای دهه‌ها، موتور ICE فناوری غالب و تنها گزینه عملی برای به حرکت درآوردن خودروهای تولید انبوه در سطح جهانی بود.
اصول پایه عملکرد موتور احتراق داخلی: چرخه احتراق و تبدیل انرژی
اصول پایه عملکرد موتور احتراق داخلی شامل یک چرخه تکراری از مراحل است که در داخل هر سیلندر رخ می‌دهد تا تبدیل انرژی شیمیایی (سوخت) به انرژی مکانیکی صورت گیرد. رایج‌ترین چرخه‌ها در موتورهای خودرو، چرخه‌های چهار زمانه هستند:
- چرخه اتو (Otto Cycle): چرخه ایده‌آل برای موتورهای بنزینی چهار زمانه. شامل چهار زمان (کورس پیستون) مجزا:
- مکش (Intake): مخلوط هوا و سوخت وارد سیلندر می‌شود.
- تراکم (Compression): پیستون مخلوط را فشرده می‌کند.
- احتراق (Combustion/Power): شمع جرقه زده و مخلوط هوا و سوخت مشتعل می‌شود، انفجار رخ داده و گازهای داغ منبسط شده، پیستون را به پایین هل می‌دهند (تولید توان).
- تخلیه (Exhaust): پیستون گازهای سوخته را از سیلندر خارج می‌کند.
- چرخه دیزل (Diesel Cycle): چرخه ایده‌آل برای موتورهای دیزلی چهار زمانه. مشابه چرخه اتو، اما در زمان مکش فقط هوا وارد می‌شود. هوا به شدت فشرده شده و دمای آن بالا می‌رود. سپس سوخت دیزل در زمان تراکم به داخل هوای داغ فشرده تزریق شده و به دلیل دمای بالا خودبه‌خود مشتعل می‌شود (احتراق فشاری).
- چرخه دو زمانه (2-stroke Cycle): در این نوع موتورها، تمام فرآیندهای چرخه احتراق (مکش، تراکم، احتراق، تخلیه) در دو زمان کورس پیستون کامل می‌شود. این موتورها ساده‌تر، سبک‌تر و برای اندازه مشخص، توان بیشتری نسبت به موتورهای چهار زمانه تولید می‌کنند، اما معمولاً راندمان سوخت پایین‌تر و انتشار آلایندگی بیشتری دارند و در خودروهای مدرن کمتر استفاده می‌شوند.
در تمام این چرخه‌ها، تبدیل انرژی از حرارت آزاد شده در اثر احتراق به حرکت خطی پیستون و سپس به حرکت دورانی میل‌لنگ صورت می‌گیرد.
اجزای اصلی تشکیل دهنده موتور احتراق داخلی و وظایف آن‌ها در تولید قدرت
یک موتور احتراق داخلی از چندین اجزای اصلی تشکیل دهنده پیچیده ساخته شده است که با هماهنگی دقیق با یکدیگر وظایف آن‌ها در تولید قدرت را انجام می‌دهند:
- بلوک موتور (Cylinder Block): ساختار اصلی و صلب موتور که شامل سیلندرها و مجراهای لازم برای عبور آب (خنک‌کاری) و روغن (روان‌کاری) است.
- سیلندرها (Cylinders): فضاهای داخلی استوانه‌ای در بلوک موتور که احتراق در داخل آن‌ها رخ می‌دهد و پیستون‌ها در داخل آن‌ها به صورت رفت و برگشتی حرکت می‌کنند.
- پیستون‌ها (Pistons): قطعات استوانه‌ای که در داخل سیلندرها حرکت خطی انجام می‌دهند و نیروی حاصل از احتراق را دریافت و از طریق شاتون به میل‌لنگ منتقل می‌کنند.
- شاتون (Connecting Rods): میل‌هایی که پیستون‌ها را به میل‌لنگ متصل می‌کنند و حرکت خطی پیستون را به حرکت دورانی تبدیل می‌کنند.
- میل لنگ (Crankshaft): این جزء اصلی‌ترین شفت گردان موتور است که حرکت خطی پیستون‌ها را (از طریق شاتون) به حرکت دورانی تبدیل کرده و گشتاور تولید شده موتور را به بیرون (به سیستم انتقال قدرت) منتقل می‌کند.
- سرسیلندر (Cylinder Head): در بالای بلوک قرار گرفته و سیلندرها را از بالا می‌پوشاند. شامل اتاق‌های احتراق، محل نصب شمع‌ها (در بنزینی) یا انژکتورها، و مجاری ورودی هوا/سوخت و خروجی گازهای سوخته است. همچنین شامل سوپاپ‌ها و سازوکار تحریک آن‌ها (میل سوپاپ) است.
- سوپاپ‌ها (Valves): در سرسیلندر قرار دارند و ورود مخلوط هوا/سوخت (یا فقط هوا) به سیلندر و خروج گازهای سوخته را در زمان‌های مناسب کنترل می‌کنند.
- میل سوپاپ (Camshaft): با استفاده از بادامک‌ها، زمان باز و بسته شدن سوپاپ‌ها را کنترل می‌کند.
- سیستم سوخت‌رسانی: شامل باک سوخت، پمپ سوخت، فیلترها و انژکتورها (یا کاربراتور در موتورهای قدیمی‌تر) برای رساندن سوخت به داخل سیلندرها یا مجاری ورودی.
- سیستم اگزوز: برای جمع‌آوری و خروج گازهای سوخته از سیلندرها و کاهش آلایندگی (با استفاده از کاتالیزور).
انواع موتورهای احتراق داخلی (بنزینی، دیزلی، دو زمانه) و ویژگی‌هایشان
موتورهای احتراق داخلی بر اساس نوع سوخت، چرخه کارکرد و پیکربندی (تعداد و آرایش سیلندرها) دارای انواع مختلفی هستند که هر کدام ویژگی‌هایشان متفاوتی در تولید قدرت، راندمان و آلایندگی دارند:
- موتورهای بنزینی: از بنزین به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. معمولاً با چرخه اتو کار می‌کنند و برای اشتعال از شمع استفاده می‌کنند. در دور موتورهای بالا عملکرد خوبی دارند و در خودروهای سواری بسیار رایج هستند.
- موتورهای دیزلی: از گازوئیل به عنوان سوخت استفاده می‌کنند. با چرخه دیزل کار می‌کنند و سوخت در هوای فشرده داغ مشتعل می‌شود. معمولاً گشتاور بالاتری در دور موتورهای پایین و مصرف سوخت کمتری نسبت به موتورهای بنزینی مشابه دارند. در کامیون‌ها، اتوبوس‌ها و خودروهای شاسی‌بلند و سواری با مصرف پایین رایج هستند.
- موتورهای دو زمانه: چرخه احتراق را در دو زمان کامل می‌کنند. ساده‌تر و سبک‌تر از موتورهای چهار زمانه مشابه هستند، اما معمولاً آلایندگی و مصرف سوخت بالاتری دارند. در خودروهای مدرن جاده‌ای کمتر استفاده می‌شوند.
- آرایش سیلندرها: شامل موتورهای خطی (Cylinders-in-line)، موتورهای V شکل (V-shaped engines)، موتورهای بوکسوری (Boxer engines – سیلندرها روبروی هم) و موتورهای روتاری (Rotary engines – مانند وانکل).
مزایا و محدودیت‌های موتورهای احتراق داخلی و روند گذار از آن‌ها در صنعت خودروی جهانی
موتورهای احتراق داخلی به دلیل چندین مزایا برای دهه‌ها فناوری غالب در خودروها بوده‌اند:
- چگالی انرژی بالای سوخت: بنزین و دیزل مقادیر بسیار زیادی انرژی را در حجم و وزن کم ذخیره می‌کنند که امکان برد پیمایش بلند را با باک‌های کوچک فراهم می‌کند.
- سوخت‌گیری سریع: پر کردن باک سوخت در پمپ بنزین بسیار سریع است.
- زیرساخت گسترده سوخت‌رسانی: شبکه پمپ بنزین/دیزل در سراسر جهان به طور گسترده‌ای توسعه یافته است.
- هزینه اولیه نسبتاً پایین: در مقایسه با فناوری‌های جدیدتر مانند باتری‌های بزرگ EV یا پیل سوختی.
- تکنولوژی بالغ و شناخته شده: دهه‌ها تحقیق و توسعه باعث شده این موتورها از نظر عملکرد و قابلیت اطمینان در سطح بالایی قرار گیرند.
با این حال، محدودیت‌های موتورهای احتراق داخلی، به‌ویژه در زمینه زیست‌محیطی، منجر به روند گذار از آن‌ها در صنعت خودروی جهانی به سوی پیشرانه‌های پاک‌تر شده است:
- انتشار آلایندگی: موتورهای ICE در حین احتراق، آلاینده‌های محلی سمی (مانند مونوکسید کربن CO، اکسیدهای نیتروژن NOx، ذرات معلق PM) و گازهای گلخانه‌ای (مانند دی‌اکسید کربن CO2 – عامل اصلی تغییر اقلیم) منتشر می‌کنند.
- راندمان پایین‌تر: بازدهی تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی مکانیکی در موتورهای ICE معمولاً بین ۲۰ تا ۴۰ درصد است و بخش زیادی از انرژی به صورت حرارت هدر می‌رود. این به مراتب کمتر از راندمان موتورهای الکتریکی است.
- نویز و لرزش: موتورهای ICE معمولاً پر سر و صداتر و لرزش بیشتری نسبت به موتورهای الکتریکی دارند.
- پیچیدگی: تعداد قطعات متحرک در موتورهای ICE بسیار بیشتر است که نیاز به نگهداری منظم و تعویض قطعات دارد.
- وابستگی به سوخت‌های فسیلی: منابع سوخت‌های فسیلی محدود هستند و استفاده از آن‌ها پیامدهای زیست‌محیطی دارد.
روند گذار از آن‌ها در صنعت خودروی جهانی به دلیل نگرانی‌های زیست‌محیطی، سخت‌تر شدن استانداردهای آلایندگی و پیشرفت فناوری باتری و موتورهای الکتریکی تسریع شده است. بسیاری از کشورها و مناطق اهداف بلندپروازانه‌ای برای ممنوعیت فروش خودروهای با موتور ICE در دهه‌های آینده تعیین کرده‌اند.
نتیجه‌گیری
موتور احتراق داخلی (Internal Combustion Engine – ICE) نوعی موتور گرمایی است که با سوزاندن سوخت در سیلندر، انرژی را به حرکت تبدیل می‌کند و نقشی محوری در تاریخ خودرو ایفا کرده است. مفهوم، تعریف و نقش محوری در تاریخ خودرو این موتورها بر پایه احتراق داخلی و تبدیل انرژی استوار است. اصول پایه عملکرد موتور احتراق داخلی: چرخه احتراق و تبدیل انرژی فرآیندهای اصلی تولید توان را شامل می‌شود. اجزای اصلی تشکیل دهنده موتور احتراق داخلی و وظایف آن‌ها در تولید قدرت نشان‌دهنده پیچیدگی این سیستم است. انواع موتورهای احتراق داخلی (بنزینی، دیزلی، دو زمانه) و ویژگی‌هایشان متفاوت هستند. با وجود مزایایی مانند برد پیمایش بالا و زیرساخت گسترده سوخت‌رسانی، محدودیت‌های موتورهای احتراق داخلی (مانند آلایندگی و راندمان پایین) باعث شده است که روند گذار از آن‌ها در صنعت خودروی جهانی به سوی پیشرانه‌های الکتریکی آغاز شود. با این وجود، موتورهای ICE همچنان بخش مهمی از ناوگان خودروهای فعلی در جهان را تشکیل می‌دهند.
