چرا موتورهای دیزل گشتاور بسیار بالایی تولید می کنند؟

اگر به مشخصات فنی خودروهای دیزلی و بنزینی با حجم یکسان نگاه کنید اولین چیزی که توجه شما را به خود جلب می‌کند گشتاور بسیار بالاتر موتور دیزل است. در این مقاله دلایل عمده این برتری را بررسی می‌کنیم.

اصلی ترین عواملی که باعث افزایش گشتاور بسیار بالای موتورهای دیزل می‌شوند کورس پیستون، فشار (بوست) توربوچارجر و متوسط فشار مفید داخل سیلندر هستند. موتورهای توربودیزل نسبت به موتورهای توربو بنزینی بوست بالاتری دارند. موتورهای دیزل بین 15تا 30 PSI بوست تولید می‌کنند و برای نمونه‌های تقویت شده آنها تا 50 PSI هم ممکن است بالا برود در صورتی که حتی بوست 15 PSI برای یک موتور بنزین بسیار بالاست. گازوئیل نسبت به بنزین به ازای هر گالن 11 درصد انرژی بیشتری دارد و موتور دیزل کم مصرفتر از بنزینی می‌باشد.

یکی از راه‌های افزایش گشتاور هر موتوری بالا بردن کورس پیستون (یا طول شاتون) آن است زیرا هر چه این مقدار بیشتر شود شاتون هنگام پایین اومدن پیستون‌ها نیروی اهرمی بیشتری به میل لنگ وارد می‌کند. موتورهای دیزل معمولا به خاطر تولید گشتاور بیشتر ساختار شاتون بلند دارند. اجزای سنگین موتور دیزل طوری طراحی شده اند که تراکم بالا و فشار بالا را تحمل می‌کنند ولی همین باعث می‌شود که توانایی دور گرفتن موتور محدود شود. مثلا بعضی از کامیون‌ها حداکثر تا 2200 دور در دقیقه بیشتر دور نمی‌گیرند. خط قرمز وانت های دیزل معمولا از 3000 تا 3500 دور شروع می‌شوند و در کل دور 4000 برای موتور دیزل دور بالایی محسوب می‌شود. در واقع طول شاتون موتورهای دیزل بر اساس مقدار دور موتور آنها محاسبه می‌شود. بر خلاف موتورهای دیزل، در اکثر موتورهای بنزینی کورس پیستون از قطر سیلندر کمتر است که توانایی دور گرفتن بهتری به آنها می‌دهد.

علاوه بر محدود شدن دور موتور، افزایش کورس پیستون یک جنبه منفی دیگر نیز ایجاد می‌کند. هر چه کورس پیستون بیشتر شود، پیستون در هر سیکل باید مسافت بیشتری را طی کند. یعنی در یک دور موتور مشخص، پیستون یک موتور شاتون بلند نسبت به شاتون کوتاه باید سریعتر بالا پایین رود (متوسط سرعت بیشتر) تا این کورس را طی کند. پیستون در دو نقطه (نقطه مرگ بالاTop Dead Center و نقطه مرگ پایین Bottom Dead Center) یعنی بالاترین موقعیت TDC و پایین ترین موقعیتBDC باید توقف کند و جهت حرکتش را تغییر دهد. برای رسیدن به سرعت متوسط بیشتر در یک کورس بازی پیستون که در بالا ذکر شد، پیستون باید در نیمه اول هر کورس سریعتر شتاب گرفته و در نیمه دوم کورس سریعتر سرعتش را کاهش دهد. این افزایش و کاهش شتاب انرژی بسیار بالایی طلب می‌کند. خوشبختانه گشتاور منفی مربوط به شتاب دادن پیستون تا حد زیادی با گشتاور مثبتی که هنگام کاهش شتاب رخ می‌دهد هم تراز می‌شود ولی طی هر 4 سیکل کاری موتور فشار روی میل لنگ، پیستون، گژن پین، شاتون و یاطاقان در هر سیکل افزایش می‌یابد.

اکنون به بررسی فشار مفید سیلندر در موتورهای بنزینی و دیزلی می‌پردازیم. در موتورهای بنزینی، بنزین قبل از ورود به سیلندر با هوا مخلوط می‌شود بنابراین وقتی سوپاپ هوا باز می‌شود پتانسیل قدرتی این سوخت تعیین می‌شود. جرقه شمع مخلوط را مشتعل کرده و حدود 15 درجه بعد از نقطه مرگ بالا فشار داخل سیلندر به اوج می‌رسد. چون احتراق زمان می‌برد بسته به دور موتور ممکن است در 15 درجه بعد از نقطه مرگ بالای پیستون کامل شود یا نشود و می‌توان گفت که فرآیند احتراق در اوایل کورس قدرت (مرحله انفجار) پایان می‌یابد و دیگر گرم شدن گازهای داخل سیلندر رخ نمی‌دهد. به این معنا که نیروی اعمال شده به سر پیستون زمانی به اوج خود می‌رسد که نیروی اهرمی شاتون روی میل لنگ در کمترین حد خود باشد. همانطور که میل لنگ به چرخش خود ادامه داده و پیستون از نقطه مرگ بالا عبور می‌کند نیروی اهرمی پیستون افزایش می‌یابد اما فشار روی سر پیستون به سرعت کاهش می‌یابد.

پس از اینکه متوجه می‌شویم احتراق چه زمانی رخ می‌دهد و رابطه میان فشار سیلندر و نیروی اهرم روی میل لنگ را درک می‌کنیم به وضوح مشخص می‌شود که اگر فرآیند سوختن مخلوط سوخت را در مرحله انفجار تا زمان بیشتری ادامه دهیم، می‌توان هنگامی که زاویه شاتون نسبت به میل لنگ برای نیروی اهرم بیشتر بهبود می‌یابد، فشار بیشتری روی پیستون تولید کرد و گشتاور را بالا برد. این دقیقا اتفاقی است که در موتور دیزل رخ می‌دهد. چون گازوئیل بعد از بسته شدن سوپاپ هوا به داخل سیلندر تزریق شده و هوا نیز فشرده است، در مرحله انفجار زمان پاشش انژکتور را می‌توان افزایش داد. یعنی فشار متوسط داخل سیلندر روی پیستون نسبت به مورد مشابه در موتور بنزین هم حجم خود بیشتر است.

بوست بیشتر توربو، نسبت تراکم بالا گرمای بیشتر سوخت تماما منجر به فشار بیشتر سیلندر نسبت به موتور بنزینی می‌شود اما در اصل تداوم مرحله پاشش سوخت است که باعث رسیدن به مقادیر بالای گشتاور در موتورهای دیزل می‌شود. در نتیجه اجزای موتورهای باید بسیار محکم و با دوام ساخته شوند تا از پس چنین فشاری بر آیند.