نکاتی درباره اسب‌بخار و گشتاور در پیشرانه

زمانی که درباره نحوه کارکرد پیشرانه‌ای مفروض در یک خودرو بحثی صورت می‌پذیرد، نخستین چیزی که اغلب به آن توجه می‌شود اعداد مربوط به اسب‌بخار و گشتاور در آن پیشرانه است. مثلاً می‌گوییم پیشرانه فلان خودرو 150 اسب‌بخار قدرت و 200 نیوتن‌متر گشتاور دارد. اما این دو واحد در عمل چه مفهومی دارند و چه پارامتری را در یک خودرو به ما نشان می‌دهند؟

اسب‌بخار، نخستین بار توسط یک مخترع بریتانیایی به نام جیمز وات به جهانیان معرفی شد. در تعریف، یک اسب‌بخار به معنای جابه‌جایی یک وزنه 75 کیلوگرمی در یک ثانیه توسط نیروی یک اسب است. یک اسب‌بخار معادل 736 وات است و هر کیلووات ساعت تقریباً برابر با 1.36 اسب‌بخار است.

«نیروی اسب» در اساس برای تشریح نیروی یک موتور بخار پدید آمد. چون که بنابر مشاهدات جیمز وات برای حرکت دادن پمپ آب در معادن از نیروی اسب استفاده می‌شد و به همین خاطر بعدها استعمال این واحد (اسب‌بخار) برای توضیح توان خروجی پیشرانه‌های بخاری و فسیلی رایج شد.

گشتاور (torque) در تعریف به میزان نیروی پیچشی گفته می‌شود که توسط یک پیشرانه  تولید می‌شود. این نیرو به یک محور یا شفت وارد شده و موجب حرکت و دوران آن می‌شود. نیروی گشتاور با واحد نیوتن‌متر (NM) و یا پوند/فوت (LB/FT) تعریف می‌شود. ماکزیمم گشتاور در پیشرانه یک خودرو در دور معینی تولید می‌شود و در این دور، خودرو به بالاترین حد از گشتاور خود می‌رسد.

امروزه در دنیای خودرو دو استاندارد برای اندازه‌گیری اسب‌بخار وجود دارد که اندکی با هم تفاوت دارند. استاندارد نخست معروف به استاندارد آمریکایی است که به اختصار به آن SAE گفته می‌شود و استاندارد دیگر هم مربوط به اتحادیه اروپا بوده و آن‌هم به اختصار EEC خطاب می‌شود. تفاوتی که بین واحد SAE و EEC وجود دارد این است که در آمریکا هنوز برای اندازه‌گیری و تعریف واژه‌هایی همچون طول، حجم و اسب‌بخار خودرو از سیستم واحد یا همان یکای انگلیسی استفاده می‌شود که عبارتند از: فوت، اینچ مکعب و غیره. اما در اروپا از سیستم متریک مثل سانتی‌متر و لیتر استفاده می‌شود. واحد انگلیسی برای اسب‌بخار HP است اما در سیستم متریک برای اسب‌بخار واحد PS به کار می‌رود که مخفف واژه Pferdestärke است که در زبان آلمانی معنای اسب‌بخار را می‌دهد. از آنجایی که تعریف این واحدها با یکدیگر تفاوت دارد لذا در عمل یک PS معادل یک HP نیست. در کل یک HP یا اسب‌بخار آمریکایی تقریباً 1.04 درصد بیشتر از PS یا همان اسب‌بخار اروپایی است.

فرمول تبدیل واحد اسب‌بخار HP به PS چنین است: HP= PS×0.9863

در عمل آنچه که نیروی گشتاور را به وجود می‌آورد انرژی جنبشی یا حرکت یک جسم است و بدون پارامتر حرکت گشتاوری هم وجود نخواهد داشت و البته بدون نیروی گشتاور نیز اسب‌بخاری هم در کار نخواهد بود. پس شاهدیم که این دو نیرو (گشتاور و اسب‌بخار) در پیوندی مستقیم با هم هستند.

نیروی گشتاور و اسب‌بخار یک پیشرانه توسط کارخانه سازنده آن اعلام می‌شود و این کار هم با مدد از دستگاهی به نام دینامومتر صورت می‌گیرد. دینامومتر یک دستگاه جذب‌کننده انرژی است که توان و گشتاور تولیدی در یک پیشرانه را با دستگاه‌های الکترونیکی ثبت و ضبط می‌کند. معمولاً کارخانه‌ها تمام پیشرانه‌های تولیدی خود را از نظر توان پیشرانه مورد آزمایش قرار نمی‌دهند و این کار به صورت رندمی صورت می‌پذیرد.

فرمول تعیین اسب‌بخار بدین صورت است: میزان دور موتور ضربدر نیروی گشتاور تقسیم بر عدد 5252

پرسش مهمی که در اینجا پیش می‌آید این است که آیا توان بالای پیشرانه به معنای شتاب و سرعت بیشتر در یک خودروست؟

پاسخ به این سوال کمی پیچیده است. زیرا عوامل متعددی در این امر دخیل هستند که از جمله مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به پارامتر ضریب دنده‌ها در جعبه‌دنده یک خودرو و همچنین میزان گشتاوری که پیشرانه یک خودرو در دور معین ارائه می‌دهد، اشاره نمود. چه بسا پیش می‌آید که بخش قابل توجهی از توان یک پیشرانه به سبب ضریب نامناسب جعبه‌دنده و عدم هماهنگی آن با پیشرانه خودرو، تلف شده و هرز می‌رود. همچنین اگر ماکزیمم گشتاور در پیشرانه یک خودرو در دورهای پایین‌تر ارائه شود، در عمل به معنای شتاب‌گیری بهتر در دورهای پایین‌تر است.

تیپ جعبه‌دنده به کار رفته نیز در این میان نقش مهمی را در فرایند شتاب‌گیری یک خودرو ایفا می‌کند و عمدتاً جعبه‌دنده‌های چند سرعته معمولی بهتر از جعبه‌دنده‌های CVT وظیفه هماهنگی به موقع بین جعبه‌دنده و پیشرانه را انجام داده و سر و صدای کمتری نیز در زمان رانندگی دارند. صد البته در این میان، تجربه و دانش یک برند خودرویی عامل بسیار مهمی در زمینه کاهش تلفات مربوط به توان خروجی از یک پیشرانه و  در نهایت پارامتر شتاب‌گیری در آن است.

مثلاً برخی از برندهای خودرویی، به ویژه اروپایی و ژاپنی در زمینه هماهنگی بین پیشرانه و جعبه‌دنده سرآمد هستند و تلفات توان خروجی در محصولات آن‌ها در حداقل میزان ممکن خود است. اما برخی برندهای تازه کار و مبتدی که تجربه چندانی در ساخت خودرو نداشته و از دانش فنی لازم هم در زمینه هماهنگی بین پیشرانه و جعبه‌دنده برخوردار نیستند، خودروهای آن‌ها به اندازه یک محصول پرسابقه اروپایی و یا ژاپنی در زمان رانندگی تند و تیز نیست و  جعبه‌دنده‌های نصب شده در محصولات آن‌ها نمی‌تواند عمل معکوس‌دهی را به موقع انجام داده و به اصطلاح عامیانه گیج و گنگ است.

امروزه بسیاری از خودروها از پیشرانه‌هایی استفاده می‌کنند که مجهز به سامانه توربوشارژر و سوپرشارژر هستند و از همین رو اعداد مربوط به اسب‌بخار و گشتاور در آن‌ها نسبت مدل‌های قدیمی به نحو عجیبی بالا رفته است و چه بسا این روزها ارقامی مثل هزار اسب‌بخار و یا دو هزار نیوتن‌متر گشتاور را بسیار می‌شنویم اما هستند برندهایی که کماکان از پیشرانه‌های تنفس طبیعی برای محصولات تولیدیشان استفاده می‌کنند. در این میان، اغلب شاهدیم که اگر پیشرانه تنفس طبیعی از تعداد سیلندر بالایی برخوردار باشد عدد اسب‌بخار در آن‌ها چندان چشمگیر نیست. علت این مسئله بدین دلیل است که چنانچه یک پیشرانه دارای پیستون‌های بزرگ به تعداد زیاد باشد و همچنین شاتون‌ها در آن سنگین باشند، آن پیشرانه نمی‌تواند دور موتور را خیلی بالا ببرد و در نتیجه تولید اسب‌بخار بیشتر در چنین پیشرانه‌ای به محدودیت بر می‌خورد. این مسئله‌ای بود که اغلب در پیشرانه‌های 12 سیلندر برندهای کهنه‌کار قدیمی مثل رولزرویس و بنتلی و غیره تا حدی به چشم می‌خورد. هر چند امروزه به لطف استفاده از سامانه‌های تقویتی مثل توربوشارژر و استفاده از پیشرانه‌های کوچکتر 6 و 8 سیلندر این مشکل تا حد زیادی برطرف شده است.