سیلندر ماشین و اجزای آن

سیلندر (Cylinder به معنای استوانه) پیشرانه یکی از اساسی‌ترین بخش‌های پیشرانه احتراق داخلی است و مهم‌ترین بخش تشکیل‌دهنده بلوک (Block) و پل ارتباطی اجزای مختلف تشکیل‌دهنده یک پیشرانه کامل است. در واقع موتور خودرو از دو بخش کلی بلوک و اجزا دورانی داخلی معروف به Short Block و بخش بالایی آن شامل سرسیلندر و سیستم سوپاپ‌بندی تشکیل می‌شود. اگر بلوک را به همراه سرسیلندر در نظر بگیریم به آن Long Block می‌گویند.

سیلندر ماشین محل بروز احتراق و ایجاد حرکت آغازین پیستون و به حرکت درآوردن میل‌لنگ است. به عبارت دیگر، سیلندر فضایی است که تمامی اقدامات ابتدایی مربوط به حرکت خودرو در آن اتفاق می‌افتد.

بلوک موتور خودرو و اجزای آن

به‌صورت کلی بلوک پیشرانه‌ها از ترکیبات آلیاژی دو فلز اصلی آهن (چدن) یا آلومینیوم تشکیل می‌شود که هر یک ویژگی‌های خوب و بد منحصر به خود را دارد. به‌عنوان مثال، بلوک چدنی همواره سنگین‌تر و بادوام‌تر و در برابر تغییرات دمایی مقاوم‌تر از آلومینیوم است، اما از نظر انتقال حرارتی از آلومینیوم ضعیف‌تر عمل می‌کند.

در خودروهای جدید به منظور کاهش وزن نهایی خودرو و بهبود مصرف سوخت و افزایش راندمان، معمولا از بلوک آلومینیومی استفاده می‌شود. با این حال آلومینیوم فلزی نرم و آسیب‌پذیر است و ازاین‌رو طراحی بلوک آلومینیومی به مراتب پیچیده‌تر، حساس‌تر و گران‌قیمت‌تر از بلوک چدنی است.

سیلندر ماشین و اجزای آن

سیلندر خودرو همان‌طور که از نامش پیدا است، محفظه‌ای استوانه‌ای است که از بالا به کمک سرسیلندر و از پایین به کمک پیستون بسته می‌شود. از آنجایی که پیستون در فضای سیلندر دارای حرکت رفت و برگشتی است، حجم سیلندر بر اساس قطر و کورس (میزان بالا و پایین شدن) پیستون تعیین می‌شود. قطر و کورس پیستون اعدادی ثابت است، اما کورس پیستون به دلیل حرکت رفت و برگشتی (بالا و پایین شدن) پیستون همواره در یک بازه مشخص تغییر می‌کند.

پایین‌ترین محل قرارگیری پیستون در سیلندر، حجم کلی سیلندر را تشکیل می‌دهد. برای محاسبه دقیق حجم سیلندر ماشین، باید سبک طراحی تاج پیستون و محفظه احتراق (کف سرسیلندر) را نیز در محاسبات در نظر گرفت.

جنس سیلندر خودرو

در بلوک‌های چدنی، به دلیل وجود دیواره آهنی خود بلوک، تنها کافی است تا فضای سیلندر را به شیوه دقیق ماشین‌کاری تراش داد تا پیستون در این استوانه تراش‌خورده حرکت کند. اما در بلوک‌های آلومینیومی، به دلیل ذات بسیار نرم این فلز، نیازمند استفاده از یک سیلندر آهنی هستیم که در اصطلاح تخصصی به آن بوش سیلندر یا لاینر (Liner) می‌گویند. بوش سیلندر یک استوانه تراش‌خورده و ماشین‌کاری‌شده آهنی است که در داخل بلوک آلومینیومی قرار می‌گیرد و فضای مناسب برای حرکت پیستون را همانند بلوک چدنی شبیه‌سازی می‌کند تا متریال آلومینیومی بلوک از سایش فرساینده پیستون در امان باشد. همچنینی در ترمیم سیلندرهای آسیب‌دیده بلوک‌های چدنی از لاینر استفاده می‌شود.

مهندسی ساختار سیلندر

سیلندر ماشین یک فضای استوانه‌ای است که پیستون در آن تحت فشار و حرارت بسیار زیاد بالا و پایین می‌رود تا حرکت دورانی میل لنگ را تامین کند. در نتیجه میزان اصطکاک میان دیواره سیلندر با رینگ‌های پیستون باید در کم‌ترین حد خود باشد تا عمر سیلندر و ویژگی‌های آن محفوظ بماند. اما دیواره سیلندر نمی‌تواند یک سطح صیقلی و کاملا آینه‌ای باشد، چراکه صیقلی بودن این سطح به معنای بروز بیشترین اصطکاک و سایش میان رینگ پیستون و سیلندر موتور خودرو است.

در نتیجه در آخرین مرحله از ماشین‌کاری سیلندر، به‌صورت کاملا عمدی خطوط شیب‌دار مشبک معروف به کراس هَچ (Crosshatch) بر روی آن ایجاد می‌کنند. وظیفه این خطوط مشبک شیب‌دار درهم تنیده آن است که مقدار بسیار اندک از روغنی را که به کمک میل‌لنگ و روغن‌پاش‌ها از پایین به فضای داخلی سیلندر پاشیده می‌شود، درون خطوط کم‌عمق خود نگه دارد تا رینگ‌های پیستون همواره خنک و روان‌کاری شوند.

انواع آرایش سیلندر خودرو

سیلندرها از لحاظ ظاهری، کاربردی، چیدمان و شکل آرایشی و تامین سرعت و قدرت به یک شکل نیست و همین ویژگی، آن‌ها از هم متمایز می‌کند.

آرایش خطی

این مدل، نخستین چیدمانی است که در تولید پیشرانه خودروهای جهان استفاده می‌شد. تمام سیلندرهای موجود در این نوع، درست در یک خط صاف بر روی یک بلوک، پشت هم ردیف شده‌اند که تعمیرشان را هم راحت‌تر می‌کند. آرایش خطی معروف به I یا L از ۲ سیلندر آغاز و تا دهه ۱۹۳۰ میلادی به ۸ سیلندر محدود می‌شد. امروزه رایج‌ترین نمونه پیشرانه خطی در جهان تنها نسخه ۶ سیلندر (I6) است.

بارزترین مزیت پیشرانه خطی بالانس درونی ذاتی، گشتاور بالا، استهلاک بسیار کم و دوام خیره‌کننده است که آن را به بهترین گزینه برای خودروهای تجاری سنگین، وانت‌ها و شاسی بلندها تبدیل می‌کند.

آرایش V یا خورجینی

آرایش V یا خورجینی سیلندر موتور از اتصال زاویه‌دار دو بلوک I شکل به یکدیگر تحت یک زاویه مشخص تشکیل می‌شود. به عبارت دیگر، پیشرانه V8 حاصل اتصال مهندسی‌شده دو پیشرانه خطی ۴ سیلندر (I4) به یکدیگر است. بر اساس نوع طراحی، پیشرانه‌های V شکل در زوایای رایج ۶۰ تا ۹۰ درجه (۶۰، ۶۵، ۷۵ و ۹۰ درجه) به تولید می‌رسند. البته نمونه V180 که از زاویه ۱۸۰ درجه بین دو بلوک پیشرانه بهره می‌گیرد نیز از خانواده پیشرانه‌های V به حساب می‌آید. توجه داشته باشید که پیشرانه V180 با پیشرانه تخت یا باکسر و با وجود شباهت‌های بسیار، تفاوت‌های اساسی بسیار زیادی دارد.

بارزترین برتری پیشرانه‌های V8 ابعاد بسیار فشرده با قابلیت جای دادن تعداد سیلندر بالا، دورگیری بهتر، راندمان بیشتر، عملکرد نرم و قدرت و گشتاور بالا است. این پیشرانه‌ها در خودروهای اسپرت و قدرتمند بیشترین استفاده را دارند.

آرایش VR

آرایش VR یک نمونه نسبتا نادر از پیشرانه خطی است، با این تفاوت که هر سیلندر ماشین به مقدار بسیار اندک با سیلندر بعدی در زاویه قرارگیری اختلاف دارد. اما این اختلاف به اندازه‌ای کم است که پیشرانه همچنان از یک سرسیلندر بهره می‌گیرد. به عبارت دیگر در ساختار مشترک DOHC، پیشرانه VR6 در مقایسه با V6 تنها از یک سر سیلندر و ۲ میل سوپاپ بهره می‌گیرد. در حالی که V6 دارای دو سر سیلندر و ۴ میل سوپاپ است.

کاهش اجزای متحرک، ابعاد فشرده، سادگی در طراحی و تعمیرات و کاهش وزن نهایی از بزرگ‌ترین مزیت‌های این آرایش است.

آرایش W

آرایش W از ترکیب دو پیشرانه VR به یکدیگر در حالت V‌شکل حاصل می‌شود. از این رو پیشرانه نهایی با وجود داشتن تعداد سیلندر قابل توجه، همچنان دارای ابعاد فشرده و قطعات متحرک کمتر است. برندهای زیرمجموعه گروه خودروسازی فولکس واگن نظیر بوگاتی، آئودی و بنتلی به وفور از این نوع آرایش در پیشرانه‌های W8، W12، W16 و W18 بهره گرفتند.

آرایش موتور تخت یا باکسر

آرایش پیشرانه تخت یا باکسر (Boxer) از بیرون دقیقا مشابه به V180 است. اما تفاوت اصلی در اشتراک محل اتصال شاتون‌های متقابل به میل لنگ در پیشرانه V180 است. در حالی که شاتون‌های متقابل در پیشرانه باکسر دارای اختلاف فاصله جانبی بیشتر و بر دو قسمت متفاوت از میل‌لنگ سوار هستند.

پیشرانه باکسر در مقایسه با V180 اندکی فشرده‌تر و سبک‌تر و در عمل بسیار نرم‌تر است. این پیشرانه در خانواده محصولات برند پورشه و سوبارو استفاده فراوان دارد.

آرایش ستاره ای یا رادیال

آرایش ستاره‌ای یا دایره‌ای (Radial/رادیال) بر اثر قرارگیری سیلندرها حول محور میل لنگ و به‌صورت دایره‌ای ایجاد می‌شود. این نوع پیشرانه‌ها می‌توانند بین ۳ تا ۹ سیلندر داشته باشند و پس از آن هر بلوک به‌صورت طبقه‌ای در پشت یکدیگر چیده شوند تا تعداد سیلندرها از ۳ تا ۹ در ساختار یک ردیف به ۱۲ تا ۳۶ سیلندر در ساختار ۴ ردیف پشت سر هم افزایش یابد.

بزرگ‌ترین مزیت این پیشرانه‌ها فشردگی بسیار زیاد در تناسب با تعداد خیره‌کننده سیلندرها، بازده بسیار بالا، کارکرد بسیار نرم و گشتاور و قدرت خیره‌کننده است. اما وزن این پیشرانه‌ها نسبتا زیاد و ابعاد آن‌ها بسیار خارج از عرف است. به همین دلیل این پیشرانه‌ها تنها در صنایع هوایی و ساخت هواپیماهای نظامی و جنگی تا دوران جنگ کره و جنگ ویتنام کاربرد داشت و با توسعه و پیشرفت موتورهای جت، این پیشرانه‌ها به دست فراموشی سپرده شد.

مقایسه موتور ۳ سیلندر و موتور ۴ سیلندر

با گسترش هرچه بیشتر قوانین سخت‌گیرانه آلایندگی و تمرکز بر کاهش هرچه بیشتر مصرف سوخت در ترکیب با سیستم‌های انتقال نیروی هیبرید (بنزینی برقی)، صنعت خودروسازی جهان به سمت استفاده از پیشرانه‌های کم حجم‌تر حرکت کرد تا جایی که استفاده از پیشرانه‌های ۳ سیلندر به‌جای موتور ۴ سیلندر استاندارد و رایج به موضوعی تقریبا فراگیر بدل شد. شرکت های خودروسازی بزرگ آمریکایی نظیر جنرال موتورز و فورد نیز به این جرگه پیوستند و در کنار اروپایی‌ها و ژاپنی‌ها اقدام به عرضه نسل جدید پیشرانه‌های کوچک ۳ سیلندر کردند.

اما تمایز میان پیشرانه ۳ و ۴ سیلندر در چیست؟ آیا وجود یک سیلندر کمتر در موتور خودرو می‌تواند خلا نیاز به یک پیشرانه بهینه‌تر، پربازده‌تر و البته پاک‌تر را تامین کند؟

مزایای موتور ۳ سیلندر / معایب موتور ۴ سیلندر

زمانی که یک سیلندر از پیشرانه ۴ سیلندر کم می‌شود، طبیعتا از وزن پیشرانه و تعداد قطعات متحرک آن کاسته می‌شود. در یک خودرو پاک و پربازده، وزن خالص نقشی حیاتی بازی می‌کند و هرچه این وزن کمتر باشد، پیشرانه سوخت کمتری برای به حرکت در آوردن خودرو مصرف می‌کند. همچنین کاهش تعداد قطعات متحرک به معنای کاهش اصطکاک و استهلاک طبیعی پیشرانه است که می‌تواند به دوام بیشتر پیشرانه منجر شود.

معمولا کاهش تعداد سیلندر ماشین به‌منظور کاهش حجم نهایی پیشرانه انجام می‌شود، چرا که هدف اصلی کاهش مصرف سوخت و افزایش راندمان است. طبیعتا هرچه از میزان حجم پیشرانه کاسته شود، میزان مصرف سوخت نیز کاهش می‌یابد.

معایب موتور ۳ سیلندر / مزایای موتور ۴ سیلندر

در هر صورت این حقیقت که حجم موتور فاکتور اصلی تولید توان و گشتاور است، انکارپذیر نیست. پس زمانی که از حجم و تعداد سیلندر پیشرانه کم می‌کنیم، در حقیقت از گشتاور و توان مفید تولیدی آن نیز می‌کاهیم. پس لازم است با تکیه بر تکنولوژی‌های پیچیده‌تر نظیر سیستم‌های پرخوران توربوشارژر و سوپرشارژر و همچنین سیستم پاشش سوخت تزریق مستقیم (GDI) کمک بگیریم تا خلا حجم موتور را جبران کنیم.

این مهم به معنای استفاده از اصول پیچیده‌تر و هزینه‌بردار در طراحی پیشرانه و استفاده از سیستم‌های فنی و کامپیوتری مدرن است که ضمن پیچیدگی و گران‌قیمت بودن، دارای هزینه‌های نگهداری و تعمیرات بسیار بالاتر از یک پیشرانه رایج و استاندارد است.

همچنین کاهش از حجم پیشرانه به عنوان مرجع اصلی تولید گشتاور و توان، یعنی تحت فشار گذاشتن پیشرانه برای تولید توان فنی فراتر از حد انتظار. همین مهم به تنهایی باعث افزایش مصرف تصاعدی سوخت و افزایش استهلاک می‌شود که تنها با اندازه‌گیری‌ و آزمون‌های دقیق مهندسی و صنعتی قابل اثبات است.

پیشرانه ۴ سیلندر ۴ زمانه، در هر سیکل کامل کاری (هر ۷۲۰ درجه) ۴ احتراق کامل (یک احتراق برای هر ۱۸۰ درجه) را ممکن می‌کند. این موضع برای پیشرانه ۳ سیلندر برابر با ۳ احتراق کامل (یک احتراق برای هر ۲۴۰ درجه) است. اختلاف فاحش ۶۰ درجه‌ای میان هر احتراق در پیشرانه ۳ سیلندر که بر اثر حذف یک سیلندر حاصل شده است، موجب بروز زمان بندی احتراق متفاوت، ایجاد تنش‌های داخلی و رزونانس طبیعی و خروج از سیکل روان و بالانس شده داخلی می‌شود که در پیشرانه ۴ سیلندر وجود دارد.

در نتیجه پیشرانه ۳ سیلندر ذاتا یک پیشرانه پرلرزه و پراستهلاک است که تنها به کمک شفت متناظر (Counter Shaft) تا حدی به بالانس طبیعی نزدیک‌تر می‌شود. به همین دلیل است که پیشرانه‌های ۳ سیلندر (مانند موتور ۵ سیلندر) دارای صدای اگزوز متمایز و لرزه بسیار بیشتر هستند که طراحی و تولید انبوه آن‌ها را دشوارتر می‌کند.

ویژگی های پیشرانه ۳ سیلندر

شرکت‌های خودروسازی چون بی ام و (i8)، تویوتا (کرولا GR) و فورد (خانواده موتور ۳ سیلندر EcoBoost)، و بسیاری دیگر از خودروسازان که از پیشرانه‌های ۳ سیلندر بهره می‌گیرند، معمولا در چند فاکتور با یکدیگر مشترک هستند.

۱- موتور ۳ سیلندر آن‌ها در خودروهای اقتصادی سایز کوچک و استفاده شده است.

۲- در صورت ارائه نسخه عملکردمحور، این پیشرانه‌ها به شدت بر استفاده از سیستم توربو و تزریق مستقیم متکی هستند.

۳- مصرف سوخت این پیشرانه‌ها تحت فشار رانندگی معمولا نزدیک به نمونه ۴ سیلندر است.

۴- بیشتر پیشرانه‌های ۳ سیلندر در سیستم انتقال نیروی هیبرید (همانند بی ام و i8) به عنوان ژنراتور و نیرو کمکی استفاده شده است.

۵- شرایط ایدئال کاری این دست پیشرانه‌ها در رانندگی کم‌فشار روزمره و استانداردهای شهری است.

آینده موتور ۳ سیلندر و ۴ سیلندر

پاسخ به این پرسش بسیار دشوار و تقریبا غیرممکن است. هدف از تولید پیشرانه ۳ سیلندر کاملا مشخص است. این پیشرانه در خودروهای سبک و تولید انبوه به منظور سیستم تامین نیروی پربازده و کم‌مصرف و بیشتر به‌عنوان سیستم کمکی در خودروهای هیبرید استفاده می‌شود. در حالی که پیشرانه ۴ سیلندر می‌تواند نقشی مشابه ایفا کند و در عین حال قدرتمندتر و پربازده‌تر باشد. در نتیجه هیچ یک جایگزین دیگری نخواهد بود و هر یک در جای خود ایفای نقش خواهد کرد.

نویسنده: شهاب انیسی