موتور احتراق داخلی (Internal Combustion Engine – ICE)، نوعی موتور گرمایی است که در آن سوزاندن یک سوخت (مانند بنزین، دیزل یا گاز طبیعی) با یک اکسید کننده (معمولاً هوا) در داخل یک محفظه بسته به نام سیلندر انجام می‌شود. انرژی شیمیایی موجود در سوخت از طریق فرآیند احتراق به انرژی حرارتی تبدیل شده و سپس این انرژی حرارتی باعث انبساط سریع گازها و ایجاد فشار می‌شود که به اجزای موتور (مانند پیستون) نیرو وارد کرده و در نهایت به حرکت چرخشی (کار مکانیکی) تبدیل می‌گردد. موتور احتراق داخلی فناوری غالب برای به حرکت درآوردن خودروها برای بیش از یک قرن بوده است و اساساً موتور خودروهای سنتی محسوب می‌شود.
مفهوم اصلی و نحوه کارکرد
موتور احتراق داخلی با ایجاد یک سری انفجار کنترل شده (احتراق) درون سیلندرها عمل می‌کند. رایج‌ترین نوع آن، موتور چهار زمانه است که هر سیکل کاری آن در چهار مرحله اصلی انجام می‌شود:
- مرحله مکِش (Intake): مخلوط سوخت و هوا یا صرفاً هوا (در موتورهای دیزل) وارد سیلندر می‌شود.
- مرحله تراکم (Compression): پیستون به سمت بالا حرکت کرده و مخلوط سوخت و هوا را در بالای سیلندر فشرده می‌کند.
- مرحله احتراق/قدرت (Combustion/Power): در موتورهای بنزینی، شمع جرقه زده و مخلوط متراکم شده را منفجر می‌کند. در موتورهای دیزل، سوخت با فشار بالا پاشیده شده و در اثر گرمای هوای فشرده شده، خودبه‌خود مشتعل می‌شود. انفجار باعث انبساط سریع گازها و رانده شدن پیستون به سمت پایین می‌شود. این مرحله‌ای است که توان و گشتاور تولید می‌شود.
- مرحله تخلیه (Exhaust): پیستون دوباره به سمت بالا حرکت کرده و گازهای حاصل از احتراق (دود اگزوز) را از سیلندر خارج می‌کند.
این چرخه در هر سیلندر به صورت متوالی تکرار می‌شود و حرکت رفت و برگشتی پیستون‌ها از طریق شاتون‌ها به حرکت چرخشی میل لنگ تبدیل می‌گردد.
اجزای اصلی موتور احتراق داخلی
- سیلندرها (Cylinders): محفظه‌هایی که فرآیند احتراق در آن‌ها رخ می‌دهد.
- پیستون‌ها (Pistons): قطعات استوانه‌ای که درون سیلندر حرکت رفت و برگشتی دارند.
- شاتون‌ها (Connecting Rods): پیستون‌ها را به میل لنگ متصل می‌کنند.
- میل لنگ (Crankshaft): حرکت خطی پیستون‌ها را به حرکت چرخشی تبدیل می‌کند.
- سوپاپ‌ها (Valves): برای کنترل ورود مخلوط سوخت/هوا و خروج گازهای اگزوز.
- میل سوپاپ (Camshaft): سوپاپ‌ها را در زمان مناسب باز و بسته می‌کند.
- سیستم جرقه‌زنی (Ignition System): شامل شمع‌ها برای ایجاد جرقه (در موتورهای بنزینی).
- سیستم سوخت‌رسانی (Fuel System): شامل باک، پمپ سوخت، انژکتورها برای رساندن سوخت به سیلندرها.
- سیستم اگزوز (Exhaust System): برای خروج گازهای حاصل از احتراق.
اهمیت موتور احتراق داخلی در زمینه خودروهای برقی و هیبریدی
موتور احتراق داخلی از چند جهت برای درک دنیای خودروهای برقی و هیبریدی اهمیت دارد:
- پایه مقایسه: ICE فناوری سنتی است که خودروهای برقی و هیبریدی برای جایگزینی یا بهبود آن طراحی شده‌اند. مصرف سوخت، میزان آلایندگی، توان، گشتاور، شتاب و برد پیمایش خودروهای بنزینی (با موتور ICE) معیارهایی هستند که عملکرد و مزایای خودروهای برقی و هیبریدی با آن‌ها مقایسه می‌شود.
- جزء قوای محرکه هیبریدی: خودروهای هیبریدی (HEVs و PHEVs) دارای یک موتور احتراق داخلی به عنوان بخشی از قوای محرکه خود هستند. موتور ICE در این خودروها با موتور الکتریکی همکاری می‌کند تا خودرو را به حرکت درآورد یا باتری هیبریدی را شارژ کند. درک عملکرد و محدودیت‌های موتور احتراق داخلی در این خودروها برای فهم کامل عملکرد قوای محرکه هیبریدی ضروری است.
- چالش‌های مورد خطاب توسط EVها: خودروهای برقی برای حل چالش‌های اصلی مرتبط با موتور احتراق داخلی طراحی شده‌اند، از جمله: انتشار آلاینده‌ها (که به آلودگی هوا منجر می‌شود)، انتشار گازهای گلخانه‌ای مانند CO2 (که به تغییرات اقلیمی منجر می‌شود)، آلودگی صوتی و لرزش، وابستگی به سوخت‌های فسیلی، و راندمان انرژی نسبتاً پایین (به‌خصوص در رانندگی شهری).
مزایای سنتی موتور احتراق داخلی
- فناوری بالغ و زیرساخت گسترده: فناوری ICE برای دهه‌ها توسعه یافته و زیرساخت سوخت‌گیری گسترده‌ای در سراسر جهان دارد.
- برد پیمایش بالا: به دلیل چگالی انرژی بالای سوخت‌های فسیلی، خودروهای با باک پر بنزین معمولاً برد پیمایش بالایی دارند.
- سوخت‌گیری سریع: پر کردن باک سوخت بسیار سریع‌تر از شارژ باتری خودروی برقی است.
- هزینه اولیه پایین‌تر: از نظر تاریخی، تولید موتورهای احتراق داخلی نسبت به پک‌های باتری خودروی برقی پرظرفیت ارزان‌تر بوده است (اگرچه این وضعیت در حال تغییر است).
محدودیت‌های موتور احتراق داخلی (در مقایسه با موتورهای الکتریکی)
- انتشار آلاینده‌ها: سوزاندن سوخت‌های فسیلی منجر به انتشار آلاینده‌های مضر (مانند NOx، CO، ذرات معلق) و گازهای گلخانه‌ای (CO2) از اگزوز می‌شود.
- نویز و لرزش: موتورهای احتراق داخلی ذاتاً پر سروصدا و لرزش هستند.
- وابستگی به سوخت‌های فسیلی: استفاده از سوخت‌هایی که منابع آن‌ها محدود و تجدیدناپذیر هستند.
- پیچیدگی مکانیکی: دارای قطعات متحرک متعدد هستند که نیاز به نگهداری بیشتری دارند.
- راندمان انرژی پایین‌تر: در تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی مکانیکی نسبت به موتورهای الکتریکی کارآمدتر نیستند، به‌خصوص در شرایط شروع و توقف زیاد.
- منحنی گشتاور: برای تولید گشتاور بالا در دورهای پایین، نیاز به گیربکس های چند سرعته دارند (برخلاف گشتاور آنی موتورهای الکتریکی).
موتور احتراق داخلی در بازار خودروی ایران
موتورهای احتراق داخلی در حال حاضر بخش اعظم و غالب ناوگان خودرویی در ایران را تشکیل می‌دهند، هم در خودروهای تولید داخل و هم در خودروهای وارداتی (شامل خودروهای دست دوم). رانندگان، تکنسین‌ها و صنعت خودروسازی در ایران با فناوری موتور احتراق داخلی کاملاً آشنا هستند و زیرساخت نگهداری، تعمیر و سوخت‌گیری برای این خودروها به طور گسترده در دسترس است.
موتورهای احتراق داخلی سهم قابل توجهی در آلودگی هوا در شهرهای بزرگ ایران و همچنین انتشار CO2 در کشور دارند. خودروهای هیبریدی و خودروهای برقی وارداتی به ایران به عنوان راهکارهایی برای کاهش این مشکلات و فراهم کردن جایگزینی با مصرف سوخت/انرژی پایین‌تر و میزان آلایندگی کمتر در بازار خودروی ایران مطرح شده‌اند. درک نقاط قوت و ضعف موتور احتراق داخلی، زمینه لازم را برای قدردانی از مزایا و نوآوری‌های قوای محرکه الکتریکی و هیبریدی فراهم می‌کند.
نتیجه‌گیری
موتور احتراق داخلی (ICE) نوع موتور سنتی است که با سوزاندن سوخت درون سیلندرها، انرژی لازم برای حرکت خودرو را فراهم می‌کند و فناوری غالب در صنعت خودرو برای بیش از یک قرن بوده است. این موتورها با وجود مزایای سنتی مانند زیرساخت گسترده و برد پیمایش بالا، با چالش‌های مهمی در زمینه انتشار آلاینده‌ها، راندمان انرژی و وابستگی به سوخت‌های فسیلی روبرو هستند. موتور احتراق داخلی نه تنها پایه مقایسه برای خودروهای برقی و هیبریدی است، بلکه به عنوان بخشی از قوای محرکه در خودروهای هیبریدی نیز به کار می‌رود. موتور احتراق داخلی همچنان فناوری غالب در بازار خودروی ایران است و خودروهای برقی و هیبریدی به عنوان جایگزین‌هایی پاک‌تر و کم‌مصرف‌تر برای مقابله با مشکلات ناشی از آن مطرح شده‌اند.
