اساس کار پیشرانه‌های درون‌سوز که در خودروها استفاده می‌شود ترکیب سوخت و هوا و سپس محترق کردن آن برای تولید نیرو است؛ بنابراین، دو عنصر اصلی برای کار کردن موتور خودرو سوخت و هوا خواهد بود؛ اما برای رساندن هوا به موتور راه‌های مختلفی وجود دارد که می‌توان آن‌ها را به دو دسته کلی تنفس طبیعی و پرخوران یا القای اجباری تقسیم کرد. در این مطلب قصد داریم با پیشرانه تنفس طبیعی (موتور تنفس طبیعی) با کمک پتروتکس تولید کننده مکمل بنزین با تکنولوژی نانو آشنا شویم.
موتور تنفس طبیعی چیست؟
به‌طورکلی، به موتورهایی که هوا را با فشار عادی اتمسفر مکش می‌کنند تنفس طبیعی گفته می‌شود.
در این موتورها هوا با همان فشاری که ما تنفس می‌کنیم وارد سیلندرها شده و با سوخت ترکیب می‌شود؛ اما اگر بتوان هوای بیشتری به موتور رساند، بازده و قدرت آن افزایش پیدا می‌کند و به همین دلیل، تقریباً از همان سال‌های آغازین اختراع موتور درون‌سوز مهندسان به فکر تزریق هوای بیشتر به موتورها افتادند که به این کار پرخوران یا القای اجباری گفته می‌شود.
برای این کار ابتدا از سوپرشارژر استفاده می‌شد و بعداً در سال 1905 توربوشارژر اختراع شد.
در موتورهای پرخوران، توربوشارژر یا سوپرشارژر هوا را با فشار بسیار بیشتری نسبت به اتمسفر به موتور تزریق می‌کند.
زمانی که هوای بیشتری وارد موتور می‌شود، احتراق بنزین بهتر صورت می‌گیرد و درنتیجه بازدهی و قدرت موتور به میزان قابل‌توجهی افزایش پیدا می‌کند.
با استفاده از القای اجباری می‌توان از پیشرانه‌هایی با حجم پایین قدرت بالایی گرفت که این موضوع کاهش مصرف سوخت را هم به همراه دارد.
به همین دلیل، القای اجباری خصوصاً از طریق توربوشارژر از حدود دهه 70 میلادی به‌تدریج وارد صنعت خودروسازی شد و به دلیل مزیت‌هایی که برشمردیم، رفته‌رفته استفاده از این تکنولوژی در موتورها بیشتر و بیشتر شد.
همچنین طی دو دهه اخیر قوانین سخت‌گیرانه مربوط به آلایندگی خودروها نیز به‌سرعت محبوبیت توربوشارژرها را افزایش داده و خودروسازان برای اینکه مصرف سوخت و آلایندگی موتورهای خود را کاهش دهند سراغ این قطعه رفتند.
امروزه موتورهای توربو آن‌قدر متداول شده‌اند که در خودروهای مدرن جهانی کمتر مدلی را می‌توان با پیشرانه تنفس طبیعی پیدا کرد.
بااین‌حال، از ورود توربوشارژر به صنعت خودروسازی کشورمان مدت‌زمان زیادی نمی‌گذرد زیرا در دهه 90 شمسی شاهد تولید موتور EF7 به‌عنوان اولین پیشرانه توربوشارژ ایرانی بودیم.
درنتیجه، در کشورمان هنوز اکثر پیشرانه‌های تولیدی از نوع تنفس طبیعی هستند.
مزیت‌های موتورهای تنفس طبیعی
هرچند توربوشارژر مزیت‌های زیادی به دنبال دارد اما موتورهای تنفس طبیعی هم مزایای خاص خود را دارند که باعث شده در دنیا هم هنوز به‌طور کامل کنار گذاشته نشوند و همچنان در برخی خودروها مورداستفاده قرار گیرند.
در ادامه این مزیت‌ها که شامل لیست زیر است را بررسی خواهیم کرد.
- سادگی و پیچیدگی کمتر
- هزینه‌های تعمیر و نگهداری کمتر
- پاسخگویی فوری
- هزینه تولید کمتر
سادگی و پیچیدگی کمتر
پیشرانه‌های تنفس طبیعی بسیار ساده‌تر از نمونه‌های توربو بوده و پیچیدگی فنی کمتری دارند.
این در حالی است که قطعاتی مثل توربوشارژر، اینترکولر، منیفولدهای پیچیده‌تر و سنسورهای بیشتر به پیچیدگی موتورهای توربو بسیار اضافه می‌کند؛ بنابراین، موتورهای تنفس طبیعی خرابی کمتری هم خواهند داشت و از قابلیت اطمینان بالاتری برخوردارند.
به‌عنوان‌مثال، بعضاً دیده شده موتورهای تنفس طبیعی تویوتا در خودروهایی مثل کمری حتی بیش از یک میلیون کیلومتر را بدون مشکلات جدی طی کرده‌اند درحالی‌که موتورهای توربوشارژ امروزی شاید نتوانند به چنین رکوردهایی برسند.
هزینه‌های تعمیر و نگهداری کمتر
ازآنجایی‌که پیشرانه‌های تنفس طبیعی ساده‌تر هستند، از یک سو نیاز به مراقبت کمتری دارند و از سوی دیگر هزینه‌های تعمیر آن‌ها هم کمتر خواهد بود.
در موتورهای توربو، قطعاتی که در بالا ذکر کردیم بسیار گران‌قیمت بوده و در صورت خرابی خرج بزرگی روی دست مالک می‌گذارند.
همچنین این پیشرانه‌ها حساسیت بیشتری دارند و نیاز به مراقبت دقیق‌تری خواهند داشت.
به‌عنوان‌مثال، موتورهای توربو نسبت به بنزین بسیار حساس هستند و به بنزین اکتان بالا نیاز دارند.
همچنین برای تعمیر این موتورها هم به تخصص بیشتری نیاز است.
پاسخگویی فوری
یکی از مشکلاتی که پیشرانه‌های توربوشارژ با آن مواجه هستند پدیده‌ای بنام تأخیر توربو است.
در این انجین ابتدا باید گازهای خروجی اگزوز به توربین توربوشارژ برسند و آن را با سرعت کافی بچرخانند تا توربو بتواند هوای فشرده را وارد سیلندرها کند.
درنتیجه، از زمانی که راننده پدال گاز را فشار می‌دهد تا وقتی توربو وارد عمل شود، کمی تأخیر وجود خواهد داشت زیرا توربو برای ارائه حداکثر بازدهی خود به دور موتور بالا نیاز دارد تا فشار گازهای اگزوز به حد کافی برسد.
در موتورهای تنفس طبیعی اما خبری از این مشکل نیست زیرا این موتورها هوای معمول اتمسفر را مکش می‌کنند و این هوا همیشه و در هر حالتی در دسترس است.
البته خودروسازان در پیشرانه‌های توربوشارژ مدرن از طرق مختلفی مثل استفاده از توربوشارژرهای هندسه متغیر، سوپرشارژرهای برقی و موتور برقی کمکی سعی کرده‌اند تأخیر توربو را از بین ببرند یا کاهش دهند اما این مشکل در اکثر خودروهای توربو هنوز به‌طور کامل برطرف نشده است.
هزینه تولید کمتر
موتورهای توربو به دلیل قطعات بیشتری که دارند، هزینه تولید بالاتری خواهند داشت که این باعث افزایش قیمت خودرو می‌شود.
به همین دلیل، موتورهای توربو خیلی مناسب خودروهای اقتصادی و ارزان‌قیمت نیستند درحالی‌که موتورهای تنفس طبیعی گزینه‌های مقرون‌به‌صرفه‌ای هستند.
معایب موتورهای تنفس طبیعی
پیشرانه تنفس طبیعی در کنار مزیت‌های زیادی که دارند، از معایبی هم رنج می‌برند که باعث شده این روزها در اکثر خودروها جای خود را به نمونه‌های توربو بدهند.
در ادامه این معایب که شامل لیست زیر است را بررسی خواهیم کرد.
- محدودیت قدرت و وابستگی به حجم موتور
- مصرف سوخت و آلایندگی بالاتر
- کاهش قدرت با افزایش ارتفاع از سطح دریا
محدودیت قدرت و وابستگی به حجم موتور
پیشرانه‌های تنفس طبیعی وابستگی زیادی به حجم موتور دارند؛ به‌عبارت‌دیگر، در این موتورها اصلی‌ترین راه برای افزایش قدرت زیاد کردن حجم موتور و تعداد سیلندرها است. به‌عنوان‌مثال، یک موتور 2 لیتری تنفس طبیعی چهار سیلندر حتی با بهره‌مندی از تمام تکنولوژی‌های مدرن مثل تزریق مستقیم سوخت هم نمی‌تواند از حدود 250 اسب بخار، قدرت بیشتر تولید کند.
این در حالی است که پیشرانه‌های توربو وابستگی چندانی به حجم موتور ندارند و برای مثال، مرسدس بنز از یک موتور 2 لیتری توربو تا 476 اسب بخار قدرت گرفته است.
مصرف سوخت و آلایندگی بالاتر
پیشرانه‌های توربو می‌توانند با مصرف سوخت کمتر، قدرت زیادی تولید کنند درحالی‌که موتورهای تنفس طبیعی برای تولید همان مقدار قدرت به سوخت بیشتری نیاز دارند و درنتیجه آلایندگی بیشتری هم خواهند داشت.
به همین دلیل، این روزها قوانین آلایندگی دیگر اجازه استفاده از موتورهای تنفس طبیعی را به خودروسازان نمی‌دهد.
همچنین استفاده از پیشرانه‌های تنفس طبیعی بزرگ برای تولید قدرت بیشتر باعث افزایش وزن خودرو می‌شود درحالی‌که همان مقدار قدرت را می‌توان از یک موتور توربوشارژ کوچک‌تر گرفت.
کاهش قدرت با افزایش ارتفاع از سطح دریا
ازآنجایی‌که پیشرانه‌های تنفس طبیعی از هوای معمول اطراف خود استفاده می‌کنند، با افزایش ارتفاع از سطح دریا که باعث کاهش اکسیژن می‌شود، قدرت آن‌ها کاهش پیدا می‌کند.
به همین دلیل، موتورهای تنفس طبیعی در مکان‌هایی که ارتفاع زیادی از سطح دریا دارند بازدهی بسیار کمتری خواهند داشت.
این در حالی است که در موتورهای توربو افزایش ارتفاع تأثیر خیلی کمی روی کاهش بازدهی موتور خواهد داشت.
امروز چه خودروهایی از موتور تنفس طبیعی استفاده می‌کنند؟
همان‌طور که گفته شد، به دلیل قوانین آلایندگی و مزیت‌های موتورهای توربو، این روزها پیشرانه‌های تنفس طبیعی بسیار کمتر استفاده می‌شوند اما بااین‌حال هنوز هم می‌توان این موتورها را در برخی خودروها دید.
یکی از موارد استفاده از موتورهای تنفس طبیعی در سوپراسپرت‌هایی است که به دنبال ارائه تجربه رانندگی خالص و پاسخگویی فوری موتور هستند.
شورلت کوروت Z06، آئودی R8 و پورشه 911 GT3 ازجمله سوپراسپرت‌هایی هستند که از موتورهای تنفس طبیعی استفاده می‌کنند. همچنین لامبورگینی هم همچنان در سوپراسپرت‌های خود به موتورهای تنفس طبیعی وفادار مانده و سراغ توربوشارژر نرفته است.
علاوه بر این، در خودروهای اقتصادی و همین‌طور مدل‌های ارزان‌قیمتی که برای کشورهای درحال‌توسعه مثل هند و آمریکای جنوبی تولید مشوند، به دلیل هزینه تولید کمتر، سادگی و هزینه‌های نگهداری پایین‌تر هنوز از موتورهای تنفس طبیعی استفاده می‌شود.
بااین‌حال، هم‌اکنون در بازارهای اروپا و آمریکا کمتر خودرویی را می‌توان با موتور تنفس طبیعی پیدا کرد.
سادگی و پیچیدگی کمتر، هزینه‌های تعمیر و نگهداری کمتر، پاسخگویی فوری، هزینه تولید کمتر
محدودیت قدرت و وابستگی به حجم موتور، مصرف سوخت و آلایندگی بالاتر، کاهش قدرت با افزایش ارتفاع از سطح دریا