اسب بخار و اهمیت آن در صنعت خودروسازی

اسب بخار و گشتاور دو معیار مهم هستند که برای توصیف میزان قدرت موتور استفاده می‌شوند. اما اسب بخار چیست، چه ارتباطی با گشتاور دارد و تاثیر آن روی عملکرد خودرو به چه صورت است؟

اسب بخار چیست؟

اسب بخار (hp) معمولا برای توصیف توان خروجی دستگاه‌ها استفاده می‌شود و نشان می‌دهد که یک موتور احتراقی یا الکتریکی چقدر قدرت یا توان تولید می‌کند. در واقع توان یک موتور برابر مقدار کار انجام شده توسط آن در یک زمان معین است که با واحد اسب بخار بیان می‌شود. مفهوم کار نیز در علم فیزیک برابر حاصل‌ضرب نیرو در مسافت است، یعنی میزان نیرویی که برای جابجایی اجسام به کار می‌رود.
یک اسب بخار معادل 33000 فوت پوند کار در دقیقه یا 550 فوت پوند در ثانیه است. یعنی یک اسب بخار می‌تواند جسمی به جرم ۳۳۰ پوند (۱۴۹.۶ کیلوگرم) را در یک مسیر به طول ۱۰۰ فوت ( ۳۰.۵ متر) طی یک دقیقه جابجا کند.

اما در بحث خودرو اگر بخواهیم به طور ساده‌تر در مورد اسب بخار و نمود عینی آن صحبت کنیم، باید بگوییم اسب بخار همان سرعتی است که هنگام بالا رفتن دور موتور، احساس می‌کنید. در حالی که گشتاور نیروی اولیه‌ای است که باعث می‌شود لاستیک‌ها به چرخش درآیند و بدن شما به پشتی صندلی بچسبد. در واقع گشتاور توانایی موتور برای انجام کار در یک لحظه معین را اندازه گیری می‌کند، اما اسب بخار توانایی موتور را برای انجام کار در طول یک بازه زمانی را می‌سنجد. پس ماشینی که گشتاور بالایی دارد، برای کارهای قدرتی با سرعت کمتر مناسب است اما ماشین با اسب بخار بالاتر، می‌تواند در سرعت‌های بالا بهتر عمل کند و تندو تیز تر ظاهر شود.

البته این فقط یک تعریف ساده جهت درک بهتر رابطه بین اسب بخار و گشتاور خودرو است، و گرنه ماجرا کمی پیچیده‌تر از این حرف‌هاست و به این سادگی ها نمی‌توان در مورد تاثیر این دو مولفه بر نوع عملکرد دینامیکی یک ماشین اظهار نظر کرد.

تاریخچه اسب بخار

اسب بخار به عنوان یک واحد اندازه‌گیری در قرن هجدهم توسط مخترع و مهندس معروف اسکاتلندی «جیمز وات» برای مقایسه توان خروجی موتورهای بخار با قدرت اسب‌های باری ارایه شد. وات این کار را انجام داد تا راحت‌تر بتواند به کشاورزان یا معدن‌کاران در مورد میزان قدرت یک ماشین بخار توضیح دهد؛ چراکه در آن زمان و تا پیش از وقوع انقلاب صنعتی، کارهای سنگین نظیر جابجایی سنگ‌های معدن توسط اسب‌های بارکش انجام می‌شد. به همین منظور جیمز وات به عنوان مخترع ماشین بخار برای آنکه بتواند میزان قدرت تولیدی توسط ماشین بخار را برای عامه مردم به طور واضح توضیح دهد، یکای اسب بخار را ابداع کرد.

او محاسبه کرد یک اسب بخار برابر است با میزان نیرویی که یک اسب برای بالا کشیدن ۷۵ کیلوگرم زغال سنگ به ارتفاع یک متر ظرف مدت زمان یک ثانیه صرف می‌کند. یعنی اگر یک اسب (یا هر منبع نیروی دیگری) بتواند ۷۵ کیلوگرم را ظرف مدت یک ثانیه و به ارتفاع یک متر بالا بیاورد، در واقع یک اسب بخار قدرت دارد.

گشتاور چیست؟

گشتاور نیروی دورانی را اندازه‌گیری می‌کند و به طور خاص به عنوان مقدار نیروی مورد نیاز برای چرخش یک جسم حول یک محور تعریف می‌شود. از نظر ماشین‌بازها، گشتاور یک موتور اغلب در قالب میزان غرش آن نمایان می‌شود؛ زیرا تاحدودی بیانگر سطح توانایی موتور برای انجام کار است.

این مولفه در علم فیزیک از حاصل‌ضرب میزان نیروی دورانی در فاصله منبع نیرو تا نقطه اثر آن، اندازه گیری شده و به صورت نیوتن.متر یا پوند.فوت بیان می‌شود. در مورد خودروها می‌شود گفت گشتاور همان نیروی اولیه موتور است که در لحظه لانچ، ماشین را به جلو می‌راند و شما را به صندلی می‌کوبد، به شرطی که باعث هرزگردی، دود کردن و جیغ زدن لاستیک‌ها نشود.

به بیان دقیق‌تر، نیروی ایجاد شده توسط یک موتور، میل لنگ را می‌چرخاند و بر آن گشتاور اعمال می‌کند. سپس گیربکس این گشتاور را دریافت و به چرخ‌ها انتقال می‌دهد تا ماشین را به حرکت در آورد. هر چه نیروی بیشتری به میل لنگ وارد شود، خودرو می‌تواند کار بیشتری انجام دهد و شتاب بهتری ارائه کند.

واحدهای اندازه‌گیری توان متناظر با اسب بخار

در اکثر کشورها از همین واحد اسب بخار به منظور بیان میزان قدرت هر خودرو استفاده می‌شود، اما گاهی اوقات ممکن است شما با واحد دیگری به نام bhp یا اسب بخار اصطکاکی نیز روبرو شوید. bhp در واقع همان قدرت تولیدی توسط موتور است، با این تفاوت که میزان اتلاف قدرت در گیربکس، دینام، واترپمپ و سایر قسمت‌ها نیز در آن لحاظ شده است. bhp یا اسب بخار اصطکاکی معیار بهتری برای بیان قدرت یک ماشین به حساب می‌آید؛ چرا که درصد اتلاف توان تا رسیدن به چرخ‌ها در آن لحاظ شده است. طبق محاسبات انجام شده یک hp یا  ps(مخفف اسب بخار به آلمانی) برابر ۹۸۶ هزارم bhp است که نشان می‌دهد اختلاف بین این دو چندان شدید نیست.

ضمنا برای اندازه‌گیری قدرت یک موتور از واحد دیگری به نام وات یا کیلووات نیز استفاده می‌شود. به ویژه با رونق گرفتن خودروهای برقی، استفاده از این واحد توان نیز رو به گسترش است. جهت اطلاع باید بدانید ۱ کیلووات یا هزار وات برابر است با ۱.۳۴ اسب بخار. واحدهای دیگری مانند فوت پوند در دقیقه، کالری بر دقیقه، ژول بر دقیقه، لیتر اتمسفر بر ساعت و… نیز به عنوان یکاهای اندازه‌گیری توان مورد استفاده قرار می‌گیرند که البته در دنیای خودرو خیلی کاربرد ندارند.

رابطه اسب بخار و گشتاور

مقدار اسب بخاری که موتور خودرو می‌تواند ارائه دهد، مستقیما با مقدار گشتاور تولید شده توسط میل لنگ متناسب است که آن نیز با حجم موتور و سرعت دوران میل لنگ ارتباط دارد. خودروسازان و تیونرها می‌دانند که خودرویی با اسب بخار بالاتر می‌تواند سرعت‌های بالا را برای مدت طولانی‌تری حفظ کند، در حالی که خودرویی با گشتاور بالاتر می‌تواند سریع‌تر از حالت سکون شتاب بگیرد و بنابراین سعی می‌کنند هر دو را بهینه کنند.

به طور کلی، موتورهای با حجم بیشتر (اندازه سیلندر بزرگتر) تمایل به گشتاور خروجی بالاتر در دورهای پایین‌تر دارند، در حالی که موتورهایی با سرعت دورانی (دور موتور – RPM) بالاتر، تمایل به خروجی اسب بخار بیشتری دارند.

• گشتاور و اسب بخار به راحتی با این فرمول به هم مرتبط می‌شوند:

اسب بخار = گشتاور x دور موتور / 5252

در فرمول بالا با دخالت دادن مقادیر مختلف دور موتور، ایده‌ای در مورد محدوده قدرتی که یک موتور می‌تواند تولید کند، ارائه می‌شود.

سازندگان موتور خودرو مقادیر و رابطه بین گشتاور و اسب بخار را روی یک دینامومتر اندازه گیری می‌کنند و نتایج را روی نقشه داینو ارائه می‌دهند. قدرت تولیدی را می‌توان مستقیما در سر میل لنگ با حداقل تلفات نیرو یا در چرخ با مقداری تلفات، اندازه‌گیری کرد.

با بررسی نمودار داینو یک موتور، متوجه می‌شوید که میزان گشتاور در دورهای پایین بیشتر است و اسب بخار در دورهای بالا افزایشی می‌شود. نمودار این دو مولفه همیشه در 5252 دور در دقیقه همدیگر را قطع می کنند؛ زیرا اسب بخار برابر است با گشتاور ضربدر دور موتور تقسیم بر 5252. بنابراین، گشتاور و اسب بخار زمانی که دور موتور 5252 دور در دقیقه باشد، همیشه برابر خواهند بود.

اسب بخار بهتر است یا گشتاور؟

متاسفانه در حالی که مانور دادن پیرامون اعداد مرتبط با میزان گشتاور و اسب بخار جزو ترفندهای سازندگان جهت فروش خودرو هستند، بسیاری از مصرف‌کنندگان به طور کامل معنی این اعداد و رابطه بین آنها را نمی‌دانند.

پاسخ به اینکه اسب بخار مهمتر است یا گشتاور، بستگی به کاربرد شما از ماشین دارد. در حالی که گشتاور نیروی چرخشی تولید شده توسط موتور ماشین و توانایی موتور برای انجام کار در یک لحظه مشخص را اندازه گیری می کند، اسب بخار می‌تواند کار را در یک بازه زمانی انجام دهد و سرعت خودرو را حفظ کند یا بالاتر ببرد. بنابراین گشتاور بالا باعث می‌شود ماشین از حالت سکون، سریع‌تر شتاب بگیرد و در واقع شتاب اولیه بهتر ارایه دهد. اما اسب بخار بیشتر، سرعت بالاتری را برای خودرو به همراه می‌آورد.

اگرچه هر دو مولفه برای جابجایی وسیله نقلیه ضروری هستند و در فروش خودرو تاثیر مثبت دارند، اما اگر بار سنگین حمل می‌کنید و یا یک تریلر را با ماشین می‌کشید، پس بهتر است از صدای غرش زیاد یک موتور با گشتاور بالا لذت ببرید. اما اگر می‌خواهید رکورد سریع‌ترین دور را در پیست ثبت کنید، موتوری می‌خواهید که برای به حداکثر رساندن میزان اسب بخار ساخته شده باشد.

البته تکرار این نکته ضروری است که اسب بخار و گشتاور به هم مرتبط هستند و مستقل از یکدیگر عمل نمی‌کنند؛ زیرا برای افزایش اسب بخار نیاز به افزایش گشتاور، دور موتور و یا
هر دوی آنهاست.

راه‌های افزایش عملی اسب بخار ماشین

برای افزایش توان یا همان اسب بخار موتور امروزه راه‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساده‌ترین روش این است که با افزایش مصرف سوخت موتور، توان آن را بالا برد. مواردی مثل افزایش حجم موتور و یا تغییر در سامانه نرم‌افزاری کامپیوتر خودرو به منظور پاشش سوخت بیشتر را می‌توان در این راستا تلقی کرد.

همچنین استفاده از سیستم‌های مکش پرخوران نظیر توربوشارژر یا سوپرشارژ نیز باعث افزایش میزان هوای ورودی به موتور شده و قدرت پیشرانه را افزایش می‌دهد. استفاده از گاز NO2 یا نیترو و به کارگیری هدرز یا منیفولد استیل جهت تنفس بهتر موتور هم از دیگر کارهایی محسوب میشوند که می‌توان به کمک آن اسب بخار موتور را افزایش داد.

از سوی دیگر هر عاملی که باعث شود موتور به خوبی کار نکند، می‌تواند قدرت آن را کاهش دهد. به عنوان مثال اگر سوخت باکیفیت و به میزان مناسب درون سیلندر راه پیدا نکند، قدرت موتور کم می‌شود. شمع، وایر و کوئل معیوب نیز باعث کاهش قدرت موتور خواهند شد. ضعیف شدن رینگ پیستون هم موجب هدر رفت انرژی و کم شدن اسب بخار خودرو می‌شود.

سخن پایانی

اسب بخار و گشتاور دو معیار مهم در زمینه سنجش توان موتور به شمار می‌روند و امروزه در لیست مشخصات فنی همه خودروها به طور ویژه نوشته می‌شوند. اما باید بدانید که اسب بخار و گشتاور هر دو دارای اهمیت هستند و به طور مستقیم از هم تاثیر می‌پذیرند. اما به طور کل خودروهایی که گشتاور به نسبت بالاتری دارند، شتاب و قدرت اولیه بهتری ارایه می‌دهند و برای خودروهای باری یا تجاری مناسب‌تر هستند. اما ماشین‌هایی که هم گشتاور و هم اسب بخار بالایی تولید می‌کنند، هم شتاب زیادتر و هم بیشینه سرعت بالاتری را به شما هدیه می‌دهند.

نویسنده: حسین باباپور