جزوه محاسبات مهندسی خودرو (مصرف سوخت، توان موتور، تبدیل واحدها)

مقدمه و معرفی
به نام خداوند جان و خرد

این جزوه با هدف یادگیری عمیق و کاربردی اصول اولیه و پرکاربرد در محاسبات مهندسی خودرو تهیه شده است.
در دنیای مهندسی خودرو، درک صحیح مفاهیمی مانند مصرف سوخت، توان موتور، گشتاور و همچنین قابلیت تبدیل واحدهای اندازه‌گیری مختلف، از اهمیت بالایی برخوردار است.

این جزوه به گونه‌ای طراحی شده است که بتواند نیازهای اطلاعاتی دانشجویان رشته مهندسی مکانیک، کارشناسان و علاقه‌مندان حوزه خودرو را برآورده سازد. ما تلاش کرده‌ایم تا با زبانی روان، آموزشی و به دور از پیچیدگی‌های غیرضروری، این مباحث را تشریح کنیم.

مباحث مطرح‌شده در این جزوه برای طیف وسیعی از مخاطبان، از دانشجویان سال‌های اولیه تا متخصصان فعال در صنعت خودرو و همچنین کاربران فهیم وبسایت mohandesmecanic.ir که همواره به دنبال دانش روز و کاربردی هستند، بسیار مفید و راهگشا خواهد بود.

امیدواریم این تلاش، گامی مؤثر در جهت افزایش دانش فنی و مهارت‌های عملی شما در این حوزه جذاب بردارد.

---

فصل اول: محاسبه مصرف سوخت

مصرف سوخت یکی از مهم‌ترین معیارهای ارزیابی عملکرد و اقتصادی بودن یک خودرو است.
درک چگونگی محاسبه و عوامل مؤثر بر آن، به ما کمک می‌کند تا انتخاب‌های بهتری داشته باشیم و در مصرف سوخت صرفه‌جویی کنیم.

تعریف مصرف سوخت
به میزان سوخت (معمولاً بنزین یا دیزل) گفته می‌شود که یک خودرو برای طی کردن یک مسافت مشخص، نیاز به مصرف آن دارد. این معیار معمولاً به صورت حجم سوخت در واحد مسافت بیان می‌شود.

روش‌ها و فرمول‌ها
محاسبه مصرف سوخت بر اساس نسبت سوخت مصرف شده به مسافت طی‌شده استوار است.
فرمول‌های مختلفی برای بیان این نسبت وجود دارد که بسته به کاربرد، از آنها استفاده می‌شود.

فرمول پایه محاسبه مصرف سوخت:
این فرمول، میزان سوخت مصرفی را به ازای هر واحد مسافت نشان می‌دهد:

مصرف سوخت (L/km)=حجم سوخت مصرف‌شده (لیتر)مسافت طی‌شده (کیلومتر)مصرف\ سوخت\ (L/km) = \frac{حجم\ سوخت\ مصرف‌شده\ (لیتر)}{مسافت\ طی‌شده\ (کیلومتر)}مصرف سوخت (L/km)=مسافت طی‌شده (کیلومتر)حجم سوخت مصرف‌شده (لیتر)​

این فرمول، مصرف سوخت را به صورت “لیتر بر کیلومتر” (L/km) بیان می‌کند.

برای مثال، اگر خودرویی ۱ لیتر بنزین مصرف کند تا ۱۰۰ کیلومتر را طی کند، مصرف آن ۰٫۰۱ لیتر بر کیلومتر خواهد بود.

فرمول پرکاربرد: مصرف سوخت به لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر (L/100km)
این فرمت، رایج‌ترین و استانداردترین روش برای بیان مصرف سوخت در بسیاری از کشورها و در استانداردهای جهانی است.

مصرف سوخت (لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر)=حجم سوخت مصرف‌شده ×100مسافت طی‌شدهمصرف\ سوخت\ (لیتر\ در\ هر\ ۱۰۰\ کیلومتر) = \frac{حجم\ سوخت\ مصرف‌شده\ \times 100}{مسافت\ طی‌شده}مصرف سوخت (لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر)=مسافت طی‌شدهحجم سوخت مصرف‌شده ×100​

استفاده از این فرمول، مقایسه مصرف سوخت خودروهای مختلف را آسان‌تر می‌کند، زیرا همگی بر اساس یک معیار مشترک (۱۰۰ کیلومتر) سنجیده می‌شوند.

مثال عددی قدم به قدم

برای درک بهتر نحوه محاسبه، یک مثال عملی را بررسی می‌کنیم:

سناریو: فرض کنید خودرویی در یک سفر، مسافتی برابر با ۴۰۰ کیلومتر را طی کرده است و در طول این مسافت، مجموعاً ۳۶ لیتر بنزین مصرف کرده است. می‌خواهیم مصرف سوخت این خودرو را به لیتر در ۱۰۰ کیلومتر محاسبه کنیم.

مراحل حل:

۱. محاسبه مصرف سوخت به لیتر بر کیلومتر:

مصرف سوخت (L/km)=۳۶ لیتر۴۰۰ کیلومتر=۰٫۰۹ لیتر بر کیلومترمصرف\ سوخت\ (L/km) = \frac{۳۶\ لیتر}{۴۰۰\ کیلومتر} = ۰٫۰۹\ لیتر\ بر\ کیلومترمصرف سوخت (L/km)=۴۰۰ کیلومتر۳۶ لیتر​=۰٫۰۹ لیتر بر کیلومتر

۲. تبدیل به لیتر در ۱۰۰ کیلومتر:

$$مصرفسوخت(لیتردرهر\mathrm{۱۰۰}کیلومتر)=۰٫۰۹\times 100=\mathrm{۹}لیتردرهر\mathrm{۱۰۰}کیلومتر$$

نتیجه:
مصرف سوخت این خودرو برابر با ۹ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر است. این مقدار، شاخص مهمی برای ارزیابی اقتصادی بودن مصرف سوخت خودرو محسوب می‌شود.

---

نکات مهم در مورد مصرف سوخت

مصرف سوخت تنها به فرمول‌های محاسباتی محدود نمی‌شود، بلکه عوامل متعددی نیز بر آن تأثیرگذارند:

• رانندگی شهری: توقف و شروع مکرر، استفاده زیاد از دنده عقب، ترافیک و سرعت‌های پایین، باعث افزایش مصرف سوخت می‌شود. موتور باید به طور مداوم روشن و خاموش شود یا در دورهای پایین‌تر و با بار بیشتر کار کند.

• رانندگی جاده‌ای: در مسیرهای جاده‌ای و با سرعت ثابت، معمولاً مصرف سوخت کمتر است. در سرعت‌های بالا، مقاومت هوا افزایش یافته و نیاز به توان بیشتری از موتور است، اما در سرعت‌های متعادل (مانند ۸۰ تا ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت) موتور در حالت بهینه‌تری کار می‌کند.

• کیفیت سوخت: استفاده از بنزین با اکتان پایین‌تر از حد توصیه شده می‌تواند منجر به احتراق ناقص و افزایش مصرف شود. وجود ناخالصی در سوخت نیز به سیستم سوخت‌رسانی آسیب می‌زند.

• شرایط نگهداری خودرو:

  • فیلتر هوای کثیف باعث احتراق ناقص و افزایش مصرف سوخت می‌شود.

  • شمع‌های فرسوده یا معیوب باعث کاهش قدرت موتور و افزایش مصرف می‌شوند.

  • فیلتر بنزین کثیف جریان سوخت را محدود کرده و مصرف را افزایش می‌دهد.

  • باد کم لاستیک‌ها مقاومت غلتشی را بالا می‌برد و مصرف را افزایش می‌دهد.

  • تنظیم نبودن سیستم انژکتور یا زمان‌بندی احتراق نیز بر مصرف تأثیر دارد.

فرمول‌های توان

۱. توان بر اساس کار و زمان:

توان=کار (ژول)زمان (ثانیه)توان = \frac{کار\ (ژول)}{زمان\ (ثانیه)}توان=زمان (ثانیه)کار (ژول)​

یا به صورت کلی‌تر:

توان=انرژی (ژول)زمان (ثانیه)توان = \frac{انرژی\ (ژول)}{زمان\ (ثانیه)}توان=زمان (ثانیه)انرژی (ژول)​

2. توان بر اساس گشتاور و دور موتور:

توان (اسب‌بخار)=گشتاور (نیوتن‌متر)×دور موتور (دور بر دقیقه)۷۱۲۷توان\ (اسب‌بخار) = \frac{گشتاور\ (نیوتن‌متر) \times دور\ موتور\ (دور\ بر\ دقیقه)}{۷۱۲۷}توان (اسب‌بخار)=۷۱۲۷گشتاور (نیوتن‌متر)×دور موتور (دور بر دقیقه)​

عدد ۷۱۲۷ از تبدیل واحدهای نیوتن‌متر به فوت‌پوند، دور بر دقیقه به رادیان بر ثانیه، و نهایتاً به اسب‌بخار به دست می‌آید.

3. توان بر اساس کیلووات:

توان (اسب‌بخار)=توان (کیلووات)۰٫۷۴۶توان\ (اسب‌بخار) = \frac{توان\ (کیلووات)}{۰٫۷۴۶}توان (اسب‌بخار)=۰٫۷۴۶توان (کیلووات)​

---

مثال عددی ساده (توان)

سناریو: فرض کنید توان یک موتور برابر با ۴۵ کیلووات است. می‌خواهیم این توان را به اسب‌بخار تبدیل کنیم.

محاسبه:

اسب‌بخار=۴۵۰٫۷۴۶≈۶۰٫۳ اسب‌بخاراسب‌بخار = \frac{۴۵}{۰٫۷۴۶} \approx ۶۰٫۳\ اسب‌بخاراسب‌بخار=۰٫۷۴۶۴۵​≈۶۰٫۳ اسب‌بخار

نتیجه: توان موتور ۴۵ کیلووات تقریباً معادل ۶۰٫۳ اسب‌بخار است.

---

تعریف گشتاور (Torque)

گشتاور، نیروی چرخشی تولید شده توسط موتور است که از طریق میل‌لنگ به گیربکس و سپس به چرخ‌ها منتقل می‌شود. گشتاور نیروی «هل دادن» یا «کشیدن» خودرو را مشخص می‌کند، به‌ویژه در شتاب‌گیری اولیه و حرکت در سربالایی‌ها.

فرمول گشتاور:

$$گشتاور(نیوتن‌متر)=نیرو(نیوتن)\times فاصلهعمودبینخطاثرنیروومحورچرخش(متر)$$

واحد استاندارد گشتاور در سیستم SI، نیوتن‌متر (Nm) است. گاهی از واحدهایی مانند کیلوگرم‌متر (kg.m) نیز استفاده می‌شود.

---

مثال عددی ساده (گشتاور)

سناریو: فرض کنید نیرویی به مقدار ۲۰ نیوتن، در فاصله ۰٫۵ متر از مرکز پیچ وارد می‌شود. می‌خواهیم گشتاور وارد شده به پیچ را محاسبه کنیم.

محاسبه:

$$گشتاور=\mathrm{۲۰}\times ۰٫۵=\mathrm{۱۰}نیوتن‌متر$$

نتیجه: گشتاور وارد شده به پیچ در این حالت، ۱۰ نیوتن‌متر است.

راه‌های افزایش اسب‌بخار موتور

افزایش اسب‌بخار موتور، مستقیماً به توانایی خودرو در رسیدن به سرعت‌های بالاتر و شتاب‌گیری بهتر در دورهای بالا کمک می‌کند. برخی روش‌های متداول عبارتند از:

1. افزایش حجم موتور (Engine Displacement): با بزرگ‌تر کردن حجم سیلندرها، موتور می‌تواند سوخت و هوای بیشتری مکش کرده و توان بیشتری تولید کند.

2. بهبود سیستم هواگیری:

   • استفاده از فیلتر هوای اسپرت با جریان‌پذیری بالا

   • بهینه‌سازی منیفولد ورودی (Intake Manifold) برای کاهش مقاومت و تسهیل ورود هوا

   • انتخاب طول و قطر مناسب منیفولد برای دور موتور هدف

3. بهبود سیستم تخلیه (خروج گاز اگزوز):

   • استفاده از هدرز (Header) به جای منیفولد اگزوز استاندارد

   • استفاده از اگزوز با قطر لوله بزرگ‌تر و مقاومت کمتر

   • نصب کاتالیزور اسپرت با مقاومت پایین‌تر

4. تیونینگ ECU (Engine Control Unit):

   • تغییر جداول پاشش سوخت (Fuel Maps) برای بهینه‌سازی مخلوط سوخت و هوا

   • تغییر زمان‌بندی جرقه (Ignition Timing) برای بیشینه کردن راندمان احتراق

   • تنظیم پارامترهای سیستم زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها (VVT)

5. کاهش وزن قطعات متحرک:

   • استفاده از میل‌لنگ، شاتون و پیستون‌های سبک‌تر برای کاهش اینرسی و رسیدن به دور موتور بالاتر

6. بهبود سیستم احتراق:

   • استفاده از کوئل‌های قوی‌تر و شمع‌های بهینه

   • افزایش نسبت تراکم (Compression Ratio) در صورت استفاده از سوخت با اکتان بالا

7. استفاده از سیستم‌های پرخوران (Forced Induction):

   • نصب توربوشارژر (Turbocharger) یا سوپرشارژر (Supercharger) برای افزایش فشار هوای ورودی و توان موتور

---

عوامل کاهش یا افت اسب‌بخار

عواملی که می‌توانند باعث افت توان موتور شوند:

• فرسودگی و استهلاک: کاهش کمپرس سیلندر به دلیل سایش رینگ، سوپاپ یا واشر سرسیلندر

• مشکلات زمان‌بندی سوپاپ‌ها: خرابی تسمه یا زنجیر تایم

• کثیفی فیلتر هوا یا کیفیت پایین سوخت که باعث احتراق ناقص می‌شود

• خرابی سیستم جرقه و سوخت‌رسانی: شمع ضعیف، انژکتور مسدود یا پمپ بنزین معیوب

• دمای بیش از حد موتور (Overheating): آسیب به قطعات و کاهش راندمان

• خرابی سنسورها: مانند سنسور میل‌لنگ (CKP) یا سنسور دمای آب (ECT)

• تجمع رسوبات کربن در محفظه احتراق و روی سوپاپ‌ها که حجم و کیفیت احتراق را کاهش می‌دهد

---

راه‌های افزایش گشتاور موتور

1. افزایش حجم موتور همانند افزایش اسب‌بخار

2. نصب توربوشارژر یا سوپرشارژر برای ایجاد گشتاور بیشتر در دورهای پایین‌تر

3. افزایش نسبت تراکم موتور (در صورت استفاده از سوخت مناسب)

4. بهبود ورود و خروج هوا با منیفولد ورودی بهینه و اگزوز کم‌مقاومت

5. بهینه‌سازی ECU برای تنظیم جداول گشتاور و احتراق

6. استفاده از سوخت با کیفیت بالا برای جلوگیری از ناک و حفظ گشتاور

7. افزایش طول کورس پیستون با میل‌لنگ بلندتر برای گشتاور بیشتر

---

عوامل کاهش یا افت گشتاور

• سایش یاتاقان و میل‌لنگ که باعث کاهش راندمان انتقال نیرو می‌شود

• مشکل در زمان‌بندی سوپاپ‌ها که منحنی گشتاور را ضعیف می‌کند

• کثیفی فیلتر هوا یا گرفتگی اگزوز که تنفس موتور را سخت می‌کند

• مشکل در سیستم سوخت و جرقه که باعث احتراق ناقص می‌شود

• دمای بالا که خواص روغن را تغییر داده و اصطکاک را زیاد می‌کند

• استفاده از روغن نامناسب که گشتاور را هدر می‌دهد

• بارگذاری بیش از حد موتور مثل کشیدن بار سنگین در دور پایین

• رسوبات داخلی موتور که عملکرد پیستون و سوپاپ را مختل می‌کند

 

فصل سوم: تبدیل واحدهای مهندسی

در محاسبات مهندسی خودرو، با واحدهای اندازه‌گیری مختلفی سروکار داریم. توانایی تبدیل دقیق این واحدها به یکدیگر برای درک صحیح داده‌ها، مقایسه معیارها و انجام محاسبات دقیق ضروری است.

---

جداول تبدیل کاربردی