آنچه هر ماشین بازی باید بداند؛ نسبت تراکم چیست و چه ارتباطی با کیفیت بنزین دارد؟

آیا متوجه شده اید که تعداد زیادی خودرو با مصرف سوخت پایین وارد بازار شده است؟ مصرف مزدا 3 با موتور اسکای اکتیو در بزرگراه 5.6 لیتر در 100 کیلومتر است. فورد فیستا SE با موتور اکوبوست در بزرگراه فقط 5.23 لیتر در 100 کیلومتر سوخت مصرف می کند و مصرف سوخت شورولت کروز Eco و هیوندای النترا نیز 5.88 لیتر در 100 کیلومتر است. نکته ای که در مورد این خودروها وجود دارد این است که با وجود اینکه جزو کم مصرف ترین خودروها هستند ولی از فناوری هایبرید، سوخت های جایگزین یا دیگر ترفندهای کاهش مصرف سوخت یا کاهش آلایندگی استفاده نمی کنند. این خودروها از موتورهای بنزینی احتراق داخلی سنتی نیرو می گیرند. پس چه عاملی باعث کاهش مصرف سوخت آنها شده است؟ در جواب این سوال باید گفت که علت کم مصرف بودن بیش از حد این خودروها این است که مهندسان سازنده آنها روی عاملی به نام نسبت تراکم مانور داده اند.
اصل پایه کارکرد موتور احتراق داخلی تبدیل انرژی شیمیایی حاصل از یک احتراق کنترل شده از ترکیب هوا و سوخت توسط جرقه به انرژی جنبشی (مکانیکی) است. هر خودرویی تعداد معینی پیستون و سیلندر دارد. این احتراق کنترل شده باعث حرکت رفت و برگشتی پیستون به بالا و پایین و چرخش میل لنگ می شود که در نهایت توسط گیربکس و پلوس ها چرخ ها را به حرکت در می آورد.
نسبت تراکم یعنی نسبت حجم سیلندر و حجم محفظه احتراق (هنگامی که پیستون در پایین ترین حالت ممکن (نقطه مرگ پایین) باشد) به حجم محفظه احتراق (هنگامی که پیستون در بالاترین نقطه ممکن (نقطه مرگ بالا) باشد). به عنوال مثال اگر فرض کنیم حجم سیلندر یک موتور 900 سی سی و حجم محفظه احتراق آن 100 سی سی باشد وقتی پیستون به نقطه مرگ بالا می رسد حجم باقی مانده به 100 سی سی کاهش می یابد. در این حالت نسبت تراکم موتور از تقسیم 1000 بر 100 به دست می آید. بنابراین نسبت تراکم این موتور 10 به یک است یا به عبارتی اگر کل 1000 سی سی حجم را به 10 قسمت مساوی تقسیم کنیم حجم محفظه احتراق یک قسمت از این 10 قسمت است. مهندسان خودرو می توانند با طراحی موتورهایی با نسبت تراکم بالا راندمان را افزایش و مصرف سوخت را کاهش دهند. هر چقدر این نسبت بالاتر باشد هوا داخل سیلندرها بیشتر متراکم می شود. هر چقدر هوا بیشتر متراکم شود انفجار قویتری از مخلوط سوخت و هوا ایجاد می شود و درصد بیشتری از سوخت تبدیل به انرژی جنبشی می شود.

برای درک بهتر این موضوع از دید یک انفجار به آن نگاه کنید. اگر در یک محوطه بزرگ و وسیع در نزدیکی شما انفجاری رخ دهد نیروی انفجار پراکنده می شود و شاید آسیبی به شما نرسد ولی اگر داخل اتاق در فضای بسته و محدود باشید نیروی حاصل از انفجار بسیار قویتر و تخریب آن بیشتر است. همین موضوع در مورد نسبت تراکم نیز صدق می کند. با محدود کردن انفجار به یک فضای محدودتر و کوچکتر می توان قدرت بیشتری از آن دریافت کرد. با افزایش نسبت تراکم از 8 به 9 می توان مصرف سوخت را 5 تا 6 درصد کاهش داد. علت کاهش مصرف سوخت این است که موتورهایی با نسبت تراکم بالا از یک مقدار ثابت سوخت انرژی و قدرت بیشتری آزاد می کنند در صورتی که موتورهایی با نسبت تراکم پایین از همین مقدار ثابت سوخت انرژی کمتری تولید می کنند و برای اینکه قدرتی به اندازه موتورهای تراکم بالا تولید کنند به حجم بیشتری از سوخت نیاز دارند. علاوه بر این، به دلیل اینکه موتورهای تراکم بالا احتراق کاملتری دارند آلایندگی کمتری نیز تولید می کنند.
تعریفی که درباره نسبت تراکم ذکر شد مربوط به نسبت تراکم استَتیک است. علت اینکه این نوع نسبت تراکم استتیک (ساکن) نامیده می شود این است که فقط در حالتی سنجیده می شود که سوپاپ هوا کاملا بسته باشد. نوع دیگری از نسبت تراکم وجود دارد که در آن باز و بسته شدن سوپاپ هوا در نظر گرفته می شود.
همانطور که گفتیم نسبت تراکم استتیک در حالت بسته بودن کامل سوپاپ هوا سنجیده می شود، با این حال هنگام کارکرد واقعی موتور تقریبا هرگز چنین اتفاقی رخ نمی دهد. سرعت کارکرد موتور به حدی سریع است که ممکن است نیاز باشد سوپاپ هوا قبل از اینکه پیستون جا به جایی کامل خود به بالاترین و پایین ترین نقطه را طی کند دوباره باز شود. وقتی چنین حالتی رخ می دهد مقداری از فشار درون سیلندر خارج می شود که باعث افت راندمان موتور می شود. در واقع فضای بیشتری برای هوا وجود دارد (و انفجار در فضای وسیع تری رخ می دهد) بنابراین موتور مقداری از نیروی حاصل از انفجار مخلوط سوخت و هوا را از دست می دهد. این نوع نسبت تراکم داینامیک (پویا) نامیده می شود.

مهندسان می توانند زمان بندی سوپاپ های موتور را طوری تنظیم کنند که سوپاپ هوا زودتر بسته شود که باعث می شود فشار درون سیلندر شکل بگیرد. علاوه بر این، می توان زمان بندی موتور را طوری تنظیم کرد که سوپاپ هوا دیرتر بسته شود اما باعث خروج هوا و کاهش راندمان موتور می شود.
محاسبه نسبت تراکم داینامیک کار بسیار دشواری است. برای محاسبه آن از کورس پیستون (مقدار جا به جایی پیستون) و طول شاتون استفاده می کنند تا موقعیت پیستون هنگامی که سوپاپ هوا کاملا بسته است را تعیین کنند. از آنجایی که نسبت تراکم داینامیک هنگامی که پیستون در وسط کورس خود باشد به دست می آید، همیشه کمتر از نسبت تراکم ساکن است. همانطور که در مورد نسبت تراکم ساکن ذکر شد، هر چقدر نسبت تراکم داینامیک بیشتر باشد راندمان موتور بیشتر و مصرف سوخت کمتر می شود.
موتورهای امروزی با راندمان بالا که در بسیاری از خودروها یافت می شوند، مصرف سوخت پایین خود را تا حد زیادی مدیون نسبت تراکم بالا هستند. البته نسبت تراکم بالا نیز معایب مخصوص به خود را دارد. برای اینکه موتورهایی با نسبت تراکم بالا کارکرد ایده آلی داشته باشند به بنزین با اکتان بالا نیاز دارند که قیمت آن بیشتر از بنزین معمولی است. اگر بنزین سوپر را نادیده بگیرید و از بنزین معمولی با اکتان پایین در این موتورها استفاده کنید باعث بروز پدیده ناک (ضربه) می شود. وقتی انفجار هنگامی که پیستون در موقعیت مناسب نباشد رخ دهد ناک به وجود می آید و باعث می شود فشار زیادی به اجزای درونی موتور وارد شود. بنابراین بهتر است در موتورهای پیشرفته با نسبت تراکم بالا فقط از سوخت با اکتان توصیه شده در دفترچه راهنمای خودرو استفاده شود. یکی دیگر از معایب موتورهای تراکم بالا این است که فشار بیشتری درون سیلندرهای آنها تولید می شود بنابراین به قطعاتی با استحکام بیشتر نیاز دارند که در بعضی موارد باعث افزایش وزن موتور می شود. علاوه بر این، اگر موتوری با نسبت تراکم بالا طراحی خوبی نداشته باشد این فشار بیشتر باعث کاهش عمر اجزای درونی موتور می شود. عیب دیگر موتورهای تراکم بالا این است که نسبت تراکم بالاتر باعث افزایش دمای محفظه احتراق و پیدایش اکسیدهای نیتروژن می شود که یک آلاینده مضر است. البته این معایبی که گفته شد در حالت کلی است و در مورد تمام موتورهای پیشرفته با نسبت تراکم بالا صدق نمی کند.