موتورهاي درون سوز (موتورهاي احتراق داخلي)

ريشه لغوي

موتور درون سوز يا موتور احتراق داخلي ترجمه عبارت انگليسي Intrer combustion Engine است. و به موتورهايي گفته مي‌شود که سوخت در داخل محفظه موتور سوزانده مي‌شود.

نگاه اجمالي

يک موتور احتراق داخلي وسيله است که انرژي محبوس در سوخت‌هاي فسيلي نظير بنزين ، گازوئيل و يا نفت ، گاز مايع LPG را به انرژي مکانيکي تبديل کرده و آنرا در انتهاي شفت ميل لنگ ، خارج از پوسته موتور ، به صورت چرخش صفحه فلايويل در اختيار مصرف کننده مي‌گذراد.

تاريخچه

اولين تجربه کارآ و قابل ذکر در زمينه ساخت موتوهاي احتراق داخلي در سال 1876ميلادي اتفاق افتاد. در اين سال يک مخترع آلماني به نام «ان.اي.اتو» موفق شد که يک موتور احتراق داخلي ، چهارزمانه را به ثبت برساند که اصول کار موتور در حال حاضر اصول کار موتورهاي رايج است. از آن تاريخ به بعد تحول چنداني در ساختمان اين موتوها از لحاظ کارکردي اتفاق نيافتاده است. بلکه مدلهاي مختلف و انواع پيشرفته‌تري ساخته شده‌اند که با نمونه اوليه بسيار مشابهند. البته در سال 1957 موتوري توسط «وانکل» ساخته شد که اگرچه اصول موتورهاي اتو را به کار مي‌برد ليکن ساختمان آن متفاوت است.

انواع موتورهاي احتراق داخلي

اين موتورها را به دسته کلي موتور چهارزمانه و موتورهاي دوزمانه مي‌توان تقسيم کرد. اصول کاري اين موتورها مشابه است. ليکن نحوه عمل آنها به علت تفاوت‌هاي ساختاري اندکي متفاوت است.

موتور چهارزمانه :

اين موتورها در واقع همان موتورهايي هستند که توسط اتو اختراع شدند و وجه تسميه آنها اينست که اين موتورها براي هر انفجار (مرحله تبديل انرژي سوخت به انرژي مکانيکي) مي‌بايست چهار مرحله مکش ، تراکم ، انفجار و تخليه را انجام دهند.

موتورهاي دوزمانه :

مخترعين هم عصر اتو اعتقاد داشتند که وجود تنها يک مرحله توان در دو دور چرخش موتور ، زيان بزرگي است. بنابراين توجه خود را به موتوري معطوف کردند که در هر دور چرخش داراي يک انفجار بود. اين کار با ترکيب کردن مراحل انفجار و دم و بازدم به عنوان يک مرحله و ترکيب تخليه و تراکم به عنوان مرحله بعدي صورت مي‌گيرد.

معيارهاي ديگر جهت طبقه بندي موتورهاي احتراق داخلي

روش ديگر براي طبقه بندي اين موتورها (اعم از دوزمانه يا چهار زمانه) ذکر کردن تعداد سيلندرهاي اين موتورهاست. در اين موتورها سيلندرها که در واقع واحدهاي توليد انرژي مکانيکي مي‌باشند در کنار يکديگر قرار مي‌گيرند. بر اين اساس موتورهاي متنوعي ساخته شده‌اند که انواع متداول آنها مي‌توانند يک سيلندر ، دو سيلندر ، سه سيلندر ، چهار سيلندر ، شش سيلندر ، هشت ، ده و دوازده و در مواردي بيست وچهار سيلندر باشد.
البته معيارهاي ديگري نيز براي طبقه بندي اين موتورها به کار مي‌رود. مثلا اگر نحوه آرايش سيلندرها را معيار در نظر بگيريم مي‌توانيم موتورها را به انواع: موتورهاي خطي ، موتورهاي V شکل يا خورجيني و موتورهاي شعاعي تقسيم بندي کنيم و يا اينکه مي‌توان براي طبقه بندي موتورها از حجم آنها استفاده کرد که عبارت است از حجم کل پيستونهاي آنها زمانيکه در نقطه مرگ پايين باشند. روش ديگر براي طبقه بندي اين موتورها ، نحوه مشتعل شدن سوخت در اين موتورها است. بر اين اساس موتورهاي احتراق داخلي به دو دسته تقسيم مي شوند.

موتور اشتعال جرقه‌اي :

اين موتورها ، براي سوزاندن ماده سوختني از سيستم برقي توليد کننده جرقه استفاده مي کنند.

موتورهاي ديزل :

اين موتورها براي مشتعل کردن سوخت از حرارت بالاي خود سيلندر استفاده مي‌کنند.

طرز کار

نحوه کار موتورهاي احتراق داخلي را به شکل خلاصه مي‌توان انگونه بيان کرد.

مکش :

مخلوط آزمايش‌هاي مربوط به هوا و سوخت (در موتورهاي ديزل فقط هوا) به درون سيلندر مکيده مي شود.

تراکم :

مخلوط مذکور (هواي وارد شده در موتورهاي ديزل) توسط پيستون فشرده مي‌شود.

توان :

مخلوط آزمايش‌هاي مربوط به هوا و سوخت محترق شده و انرژي آزاد مي‌کند که باعث حرکت پيستون به سمت پايين مي‌شود.

تخليه :

گازهاي ناشي از احتراق از محفظه سيلندر تخليه مي‌شود.
البته اين چهار مرحله در موتور چهارزمانه اتفاق مي افتد و در موتورهاي دو زمانه مراحل 1 و 2 و مراحل 3 و 4 با يکديگر تواما انجام مي‌شوند. به هر حال پس از انجام مرحله انفجار (توان) انرژي آزاد شده از سوختن ماده سوختني آزاد شده است و باعث حرکت پيستون مي‌گردد. از آنجايي که حرکت پيستون بصورت رفت و برگشتي است. براي تبديل اين حرکت به حرکت دوراني به يک قطعه ديگر در موتور به نام ميل لنگ نياز است که به پيستون يا پيستونها (بر حسب تعداد سيلندر موتور) متصل شده و حرکت رفت و برگشتي را به حرکت چرخشي تبديل مي کند.

ساختمان

موتورهاي احتراق داخلي براي درست کار کردن به سيستم هاي مختلفي نيازمندند که همگي مي‌بايست به دقت و نحو مطلوب وظيفه خود را انجام دهند. اجزا و سيستم‌هاي تشکيل دهنده يک موتور احتراق داخلي را مي‌توان به شرح زير برشمرد.

سيلندر :

قسمت اصلي موتور است که محل بالا و پايين رفتن پيستون مي‌باشد.

سرسيلندر :

بر روي سيلندر قرار مي‌گيرد و محل قرار گيري سوپاپ‌ها ، شمع‌ها و ... مي‌باشد.

پيستون :

قطعه متحرکي است که در داخل سيلندر بالا و پايين مي‌رود و به ميل لنگ متصل است.

ميل لنگ :

تبديل کننده حرکت رفت و برگشتي به حرکت چرخشي است.

سيستم هوارساني :

به ساختارهايي گفته مي‌شوند که محفظه سيلندر را به هواي بيرون مربوط مي‌کند.

سيستم سوخت رساني :

وظيفه رساندن و تنظيم ميزان سوخت مصرفي را بر عهده دارد.

سيستم خنک کننده :

وظيفه کنترل دماي کاري موتور را به عهده دارد.

سيستم روغن کاري :

جهت کم کردن سايش و انتقال حرارت موتور به کار مي‌رود.

سيستم برقي :

جهت اشتعال سوخت و ايجاد جرقه کاربرد دارد. (موتورهاي ديزل فاقد اين سيستم مي‌باشد)

سيستم سوپاپ‌ها :

جهت زمان بندي ورود آزمايش‌هاي مربوط به هوا و خروج دود به کار مي‌روند. (موتورهاي دوزمانه فاقد اين سيستم اند)

ساير قطعات :

رينگ‌هاي پيستون ، ميل بادامک ، چرخ لنگر يا فلاپويل ، ياتاقان‌ها ، کاورنر ، و وزنه‌هاي تعادل.

کاربردها

موتورهاي احتراق داخلي امروزه گسترده‌ترين و پراستفاده‌ترين انواع موتورها مي‌باشند. و بيشترين کاربرد اين موتورها در اتومبيل‌ها ، کاميون‌ها و ساير وسايل نقليه است. البته در کارهاي ايستا نظير پمپ کردن آب يا آسيابها هم از اين موتورها استفاده مي‌شود. شايد زماني که برق منطقه‌اي قطع شده است مشاهده مي‌کنيد که يک مغازه يا کارخانه يا مجتمع مسکوني و ... داراي برق است. اين برق را با استفاده از انرژي جنبشي يک موتور احتراق داخلي و استفاده از يک ژنراتور توليد مي‌کنند. و نقش موتورهاي درون سوز در زندگي ما
طيف وسيع و گسترده‌اي از وسايل متحرک اطراف ما براي تامين حرکت خود به موتورهاي احتراق داخلي وابسته‌اند. تصور کنيد اگر تنها يک شبکه حمل و نقل (که 100 درصد به موتورهاي احتراق داخلي وابسته است) از کار بيافتد زندگي روزمره به چه شکلي در خواهد آمد؟
موتور هاي ديزل چگونه کار مي کنند؟

رودولف ديزل ايده موتور هاي ديزل را توسعه داد و در سال 1892 حق ثبت اختراع آلمان را بدست آورد . هدف او بوجود آوردن موتوري با بازده بالا بوده است . موتور هاي بنزيني در سال 1876 اختراع شد ، که خصوصاً در آن موقع بازده بالايي نداشتند .

Rudolf Diesel،مخترع موتور ديزل

تفاوت موتور هاي ديزلي و موتور هاي بنزيني:
يک موتور بنزيني مخلوط هوا و گاز را مکش مي کند و آنرا متراکم مي کند و بعد مخلوط را با جرقه مشتعل مي کند يک موتور ديزلي فقط هوا را مي گيرد و آنرا متراکم مي کند و بعداً سوخت را به داخل هواي متراکم تزريق مي کند . گرماي حاصل از متراکم شدن هوا موجب مشتعل شدن خود به خودي سوخت مي شود .
نسبت تراکم موتور هاي بنزيني8:1 تا 12:1 است، در حاليکه نسبت تراکم موتور هاي ديزلي 14:1 به بالا مثلاً 25:1 است . نسبت تراکم بالاي موتور هاي ديزلي منجر به بهتر شدن بازده مي شود .
موتور هاي بنزيني معمولاً از کاربراتور استفاده مي کنند که هوا و سوخت را قبل از ورود به داخل سيلندر مخلوط مي کند يا دريچه تزريق سوخت دارند که فقط سوخت را پيش از مرحله مکش مي پاشد(بيرون سيلندر). موتور هاي ديزل از تزريق سوخت مستقيم استفاده مي کنند يعني سوخت را مستقيماً به داخل سيلندر مي پاشند .
انيميشن زير سيکل ديزل را در يک کنش نشان مي دهد، شما مي توانيد آن را با ايميشن موتورهاي بنزيني مقايسه کنيد و تفاوت آنرا ببينيد .

توجه کنيد که موتور هاي ديزل شمع ندارند . آنها هوا را مي مکند ( مکش مي کنند ) و آنرا متراکم مي کنند و سپس سوخت را مستقيماً به داخل محفظه احتراق تزريق مي کنند ( تزريق يا پاشش مستقيم) و در نتيجه گرمايي حاصل از متراکم شدن هوا موجب مشتعل شدن سوخت در يک موتور ديزل مي شود . در بخش بعدي ما مرحله تزريق سوخت ديزل را بررسي خوايم کرد.

تزريق سوخت در موتور هاي ديزل:

انژکتور در موتور هاي ديزل از اجزاي بسيار پيچيده اي تشکيل شده است و موضوع بسياري از آزمايشات بزرگ بوده است . ممکن است در هر موتور خاصي در يک مکان مختلف جاي گرفته باشد . انژکتور بايستي قادر باشد تا دما و فشار داخلي سيلندر را تحمل کرده و سوخت را به قطرات ريز تبديل کند . گردابي کردن قطرات در داخل سيلندر که باعث پخش متناسب آنها مي شود ، نيز يک چالش است . بنابراين بعضي موتور هاي ديزلي سوپاپ مکش مخصوصي قبل از محفظه احتراق به کار مي گيرند يا از وسايل ديگري براي گردابي (چرخشي) کردن هوا در داخل محفظه احتراق استفاده مي کنند و يا در غير اين صورت جرقه زني و فرآيند احتراق بهبود مي دهند . يکي از تفاوتهاي بزرگ بين موتور هاي ديزلي و بنزيني در فرآيند تزربق سوخت است . اکثر موتور خودرو ها از دريچه تزريق ( انژکتور) يا يک کاربراتور استفاده مي کنند که نسبت به تزريق مستقيم ترجيح دارد . بنابراين در يک موتور خودرو ، همه سوخت در داخل سيلندر در طي مرحله مکش بارگذاري شده و سپس متراکم مي شود . مقدار تراکم مخلوط سوخت و هوا محدود به نسبت تراکم موتور است . اگر موتور هوا را بيش از اندازه متراکم کند ، مخلوط سوخت و هوا به طور خود به خودي مشتعل مي شود و سبب ضربه زدن مي شود . موتور هاي ديزل تنها هوا را متراکم مي کنند، بنابراين نسبت تراکم مي تواند خيلي بالا باشد. نسبت تراکم بالا، قدرت بيشتري توليد مي کند .
بعضي موتور هاي ديزل شامل يک شمع گرمکن* از انواع آن است. موقعي که يک موتور ديزل سرد است، مرحله کمپرس ممکن است دماي هوا را به اندازه کافي براي مشتعل کردن سوخت بالا نبرد . شمع گرمکن (glow plug ) يک سيم گرمکن الکتريکي است (مانند سيم هاي داغي که شما در يک برشته کن مي بيننيد) که محفظه احتراق را گرم مي کند و دماي هوا را موقعي که موتور سرد کار مي کند را افزايش مي دهد بنابراين موتور مي تواند روشن شود .
همه وظايف در موتور هاي جديد توسط ارتباط ECM ** با مجموعه از سنسور هاي پيچيده اي که هر چيزي را از دور موتور تا دماي روغن و مايع خنک کننده را اندازه گيري مي کنند ، حتي وضعيت موتور(i.e. T.D.C.) کنترل مي شود . امروزه گرمکن ها به ندرت در موتور هاي بزرگ استفاده مي شود . ECM دماي هواي محفظه را حس مي کند و تايمينگ موتور را در هواي سرد ريتارد مي کند ، بنابراين انژکتور سوخت را ديرتر تزريق مي کند. هوا در داخل سيلندر بيشتر متراکم مي شود در نتيجه گرماي زيادي ايجاد شده، که به روشن شدن موتور کمک مي کند .
موتور هاي کوچک و موتورهاي که کنترل کامپيوتري پيشرفته ندارند از گرمکن براي حل اين مشکل(روشن شدن در هواي سرد) استفاده مي کنند .

نمونه از موتور ديزل شش سيلندر آتگو

البته تنها تفاوت بين موتور هاي ديزلي و موتور هاي بنزيني دلايل مکانيکي نيست ،بلکه از لحاظ سوخت مصرفي شان نيز داراي تفاوت هستند .

سوخت ديزل:

اگر شما سوخت ديزل (گازوئيل) با بنزين مقايسه کنيد ، شما مي دانيد که آنها متفاوت هستند . آنها مطمئناً بوي متفاوتي دارند . سوخت ديزل (گازوئيل) سنگين تر و روغني تر است . گازوئيل نسبت به بنزين ديرتر تبخير مي شود، در واقع نقطه جوش آن نسبت به آب بالاتر است. معمولاً وقتي صحبت از سوخت ديزل مي شود تمام توجهات معطوف به گازوئيل مي شود .

نونه اي از سوخت ديزل

پانوشت:

شمع گرمکن(Glow plug) :گرمکن الکتريکي کوچکي که در محفظه احتراق اوليه موتور هاي ديزلي نصب مي شود تا محفظه احتراق را پيش گرم کند و موتور در هواي سرد آسانتر روشن شود .
ECM (مخفف electronic control module مدول کنترل الکترونيکي): جعبه فلزي حاوي واحد پردازنده ي مرکزي (سي پي يو) يا کامپيوتري که اطلاعات را از کليد ها و حسگر ها (وروديها) دريافت مي کند و سپس مدار اوليه را باز و بسته مي کند ؛ممکن است مدول مجزايي باشد يا يکي از کارکرد هاي مدول کنترل موتور يا سيستم انتقال توان باشد.

منابع:
1-http://www.parsikhodro.com
2-پارسي خودرو
3-http://www.articles.ir
4-http://daneshnameh.roshd.ir
/الف