نوشته: مهندس محمد سینا ایدهلوئی
طراحی ماشینهای بنزینی یکی از جذابترین و درعینحال پیچیدهترین بخشهای مهندسی مکانیک است. ترکیبی از ترمودینامیک، دینامیک، علم مواد، آیرودینامیک و سیستمهای کنترل در کنار هم قرار میگیرند تا محصولی به نام «خودرو» ساخته شود؛ محصولی که سالهاست نقش مهمی در زندگی بشر دارد.
در این مقاله تلاش کردهام تجربه و نگاه مهندسی خود را درباره طراحی خودروهای بنزینی با شما به اشتراک بگذارم.
موتورهای بنزینی بیشتر براساس چرخهٔ «اتو» کار میکنند. هدف اصلی در طراحی این موتورها افزایش راندمان حرارتی از طریق:
افزایش نسبت تراکم
طراحی دقیق محفظهٔ احتراق
مدیریت صحیح زمانبندی سوپاپها
استفاده از سیستمهای ورودی پیشرفته
هرچقدر احتراق تمیزتر و کاملتر انجام شود، انرژی بیشتری تبدیل به کار مفید خواهد شد.
دو نوع سیستم تزریق سوخت رایج است:
MPI: ساده، ارزان و قابل اعتماد
GDI: قدرت بیشتر، مصرف کمتر و احتراق کارآمدتر
امروزه استفاده از شبیهسازی CFD برای بهینهسازی مسیر هوا و سوخت یکی از مهمترین ابزارهای مهندسان است.
دو عامل حیاتی برای عمر موتور:
1. جلوگیری از داغ شدن
2. کاهش اصطکاک
استفاده از پمپهای آب الکتریکی، ترموستات هوشمند و روغنهای کمویسکوز باعث افزایش دوام و کارایی موتور میشود.
برای داشتن بدنهای مقاوم و درعینحال سبک، معمولاً از ترکیبهای زیر استفاده میشود:
فولادهای مقاوم (AHSS)
آلومینیوم
کامپوزیتها
سبکسازی نهتنها مصرف سوخت را کاهش میدهد، بلکه پایداری خودرو را نیز افزایش میدهد.
برای بررسی رفتار بدنه در شرایط مختلف از نرمافزارهایی مانند ANSYS، Abaqus و LS-DYNA استفاده میشود. این تحلیلها کمک میکنند:
نقاط ضعف سازه مشخص شوند
رفتار خودرو در تصادف بررسی شود
ارتعاشات و خستگی قطعات پیشبینی گردد
آیرودینامیک مهمتر از چیزی است که به چشم میآید. کوچکترین تغییر در شکل بدنه میتواند مصرف سوخت را چند درصد کم یا زیاد کند.
هدف اصلی کاهش ضریب درگ (Cd) است. برای اینکار روی موارد زیر کار میشود:
طراحی سقف و ستونها
شکل جلوپنجره
کف خودرو (Underbody)
محل قرارگیری آینهها
اسپویلرها و دیفیوزرها
کاهش Cd از 0.32 به حدود 0.27 میتواند نزدیک ۸٪ صرفهجویی در مصرف سوخت ایجاد کند.
نوع گیربکس نقش مهمی در تجربهٔ رانندگی دارد. گیربکسها شامل:
دستی (MT)
اتوماتیک هیدرولیکی (AT)
دوکلاچه (DCT)
CVT
انتخاب نوع گیربکس به اهداف خودرو بستگی دارد:
آیا تمرکز روی شتاب است؟ مصرف سوخت؟ راحتی؟ یا عمر کاری بالا؟
امروزه موتورهای بنزینی بدون ECU عملاً هیچشخصیتی ندارند. ECU مسئول کنترل موارد زیر است:
زمانبندی جرقه
پاشش سوخت
تنظیم نسبت هوا به سوخت
کنترل توربوشارژر
مدیریت آلایندگی
استانداردهای آلایندگی سختگیرانه مانند یورو۶ باعث شدهاند موتورهای مدرن بسیار دقیقتر و پاکتر از گذشته کار کنند.
با وجود رشد خودروهای الکتریکی، موتورهای بنزینی همچنان در مسیر پیشرفت هستند. روندهای آینده شامل:
موتورهای توربوشارژ کمحجم
سیستم تزریق مستقیم هوشمند
کاهش اصطکاک داخلی
استفاده از هیبرید ملایم
سبکسازی شدید با مواد نوین
این موارد باعث شده خودروهای بنزینی جدید بسیار کارآمدتر از نسلهای قدیمی باشند.
طراحی خودروهای بنزینی، ترکیب هنرمندانهای از علم و تجربه است. از ریزترین جزئیات سوپاپها تا شکل آیرودینامیکی بدنه، همه باید در هماهنگی کامل باشند تا یک خودرو علاوه بر قدرت و دوام، مصرف سوخت مناسب و اثرات زیستمحیطی کمتری داشته باشد.
امیدوارم این نوشته برای علاقهمندان به مهندسی مکانیک و طراحی خودرو مفید بوده باشد.
اگر سؤالی داشتید یا دوست داشتید درباره بخش خاصی مقاله جداگانه بنویسم، خوشحال میشوم ادامه بدهم.
