موتورهای درون‌سوز
موتور درون‌سوز
موتورهای درون سوز (موتورهای احتراق داخلی)
ریشه لغوی
موتور درون سوز یا موتور احتراق داخلی ترجمه عبارت انگلیسی Intrer combustion Engine است. و به موتورهایی گفته می‌شود که سوخت در داخل محفظه موتور سوزانده می‌شود.
نگاه اجمالی
یک موتور احتراق داخلی وسیله است که انرژی محبوس در سوخت‌های فسیلی نظیر بنزین ، گازوئیل و یا نفت ، گاز مایع LPG را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده و آنرا در انتهای شفت میل لنگ ، خارج از پوسته موتور ، به صورت چرخش صفحه فلایویل در اختیار مصرف کننده می‌گذراد.
تاریخچه
اولین تجربه کارآ و قابل ذکر در زمینه ساخت موتوهای احتراق داخلی در سال 1876میلادی اتفاق افتاد. در این سال یک مخترع آلمانی به نام «ان.ای.اتو» موفق شد که یک موتور احتراق داخلی ، چهارزمانه را به ثبت برساند که اصول کار موتور در حال حاضر اصول کار موتورهای رایج است. از آن تاریخ به بعد تحول چندانی در ساختمان این موتوها از لحاظ کارکردی اتفاق نیافتاده است. بلکه مدلهای مختلف و انواع پیشرفته‌تری ساخته شده‌اند که با نمونه اولیه بسیار مشابهند. البته در سال 1957 موتوری توسط «وانکل» ساخته شد که اگرچه اصول موتورهای اتو را به کار می‌برد لیکن ساختمان آن متفاوت است.
انواع موتورهای احتراق داخلی
این موتورها را به دسته کلی موتور چهارزمانه و موتورهای دوزمانه می‌توان تقسیم کرد. اصول کاری این موتورها مشابه است. لیکن نحوه عمل آنها به علت تفاوت‌های ساختاری اندکی متفاوت است.
· موتور چهارزمانه :
این موتورها در واقع همان موتورهایی هستند که توسط اتو اختراع شدند و وجه تسمیه آنها اینست که این موتورها برای هر انفجار (مرحله تبدیل انرژی سوخت به انرژی مکانیکی) می‌بایست چهار مرحله مکش ، تراکم ، انفجار و تخلیه را انجام دهند.
· موتورهای دوزمانه :
مخترعین هم عصر اتو اعتقاد داشتند که وجود تنها یک مرحله توان در دو دور چرخش موتور ، زیان بزرگی است. بنابراین توجه خود را به موتوری معطوف کردند که در هر دور چرخش دارای یک انفجار بود. این کار با ترکیب کردن مراحل انفجار و دم و بازدم به عنوان یک مرحله و ترکیب تخلیه و تراکم به عنوان مرحله بعدی صورت می‌گیرد.
معیارهای دیگر جهت طبقه بندی موتورهای احتراق داخلی
روش دیگر برای طبقه بندی این موتورها (اعم از دوزمانه یا چهار زمانه) ذکر کردن تعداد سیلندرهای این موتورهاست. در این موتورها سیلندرها که در واقع واحدهای تولید انرژی مکانیکی می‌باشند در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. بر این اساس موتورهای متنوعی ساخته شده‌اند که انواع متداول آنها می‌توانند یک سیلندر ، دو سیلندر ، سه سیلندر ، چهار سیلندر ، شش سیلندر ، هشت ، ده و دوازده و در مواردی بیست وچهار سیلندر باشد.
البته معیارهای دیگری نیز برای طبقه بندی این موتورها به کار می‌رود. مثلا اگر نحوه آرایش سیلندرها را معیار در نظر بگیریم می‌توانیم موتورها را به انواع: موتورهای خطی ، موتورهای V شکل یا خورجینی و موتورهای شعاعی تقسیم بندی کنیم و یا اینکه می‌توان برای طبقه بندی موتورها از حجم آنها استفاده کرد که عبارت است از حجم کل پیستونهای آنها زمانیکه در نقطه مرگ پایین باشند. روش دیگر برای طبقه بندی این موتورها ، نحوه مشتعل شدن سوخت در این موتورها است. بر این اساس موتورهای احتراق داخلی به دو دسته تقسیم می شوند.
· موتور اشتعال جرقه‌ای :
·
این موتورها ، برای سوزاندن ماده سوختنی از سیستم برقی تولید کننده جرقه استفاده می کنند.
· موتورهای دیزل :
·
این موتورها برای مشتعل کردن سوخت از حرارت بالای خود سیلندر استفاده می‌کنند.
طرز کار
نحوه کار موتورهای احتراق داخلی را به شکل خلاصه می‌توان انگونه بیان کرد.
· مکش :
مخلوط آزمایش‌های مربوط به هوا و سوخت (در موتورهای دیزل فقط هوا) به درون سیلندر مکیده می شود.
· تراکم :
مخلوط مذکور (هوای وارد شده در موتورهای دیزل) توسط پیستون فشرده می‌شود.
· توان :
مخلوط آزمایش‌های مربوط به هوا و سوخت محترق شده و انرژی آزاد می‌کند که باعث حرکت پیستون به سمت پایین می‌شود.
· تخلیه :
گازهای ناشی از احتراق از محفظه سیلندر تخلیه می‌شود.
البته این چهار مرحله در موتور چهارزمانه اتفاق می افتد و در موتورهای دو زمانه مراحل 1 و 2 و مراحل 3 و 4 با یکدیگر تواما انجام می‌شوند. به هر حال پس از انجام مرحله انفجار (توان) انرژی آزاد شده از سوختن ماده سوختنی آزاد شده است و باعث حرکت پیستون می‌گردد. از آنجایی که حرکت پیستون بصورت رفت و برگشتی است. برای تبدیل این حرکت به حرکت دورانی به یک قطعه دیگر در موتور به نام میل لنگ نیاز است که به پیستون یا پیستونها (بر حسب تعداد سیلندر موتور) متصل شده و حرکت رفت و برگشتی را به حرکت چرخشی تبدیل می کند.
ساختمان
موتورهای احتراق داخلی برای درست کار کردن به سیستم های مختلفی نیازمندند که همگی می‌بایست به دقت و نحو مطلوب وظیفه خود را انجام دهند. اجزا و سیستم‌های تشکیل دهنده یک موتور احتراق داخلی را می‌توان به شرح زیر برشمرد.
موتور چهارزمانه
ریشه لغوی
این عبارت ترجمه عبارت انگلیسی Four-cycle-Engiue است و به موتورهایی اتلاق می‌شود که کار خود را در چهار کورس پیستون انجام می‌دهند. (حرکت پیستون از بالاترین مکان خود در سیلندر تا پایین‌ترین جای خود در سیلندر را یک کورس پیستون می‌گویند). در بیان فنی این موتورها را موتورهای با چرخه چهار مرحله‌ای می‌گویند که معادل عبارت Four-Stroke-cycle-Engiue است.
دید کلی
بطور کلی موتورهای احتراق داخلی بر مبنای دفعات توان در هر دور چرخش موتور به دو دسته کلی موتورهای دو زمانه و موتورهای چهار زمانه تقسیم می‌شوند. موتورهای دوزمانه از لحاظ ساختاری ساده‌ترند لیکن موتوهای چهارزمانه کارایی بیشتری دارند.
تاریخچه
اولین قدم مهم برای توسعه موتورهای چهارزمانه در اواسط قرن نوزدهم میلادی انجام گرفت. در این زمان یک مهندس فرانسوی به نام «بودور شا» چهار اصل اساسی را برای کار کردن موتورهای احتراقی ارائه کرد. که در واقع توسعه این اصول و بکارگیری آنها باعث ساخته شدن موتورهای چهارزمانه گردید. این اصول به قرار زیرند:
1. اتاقک احتراق باید کوچکترین نسبت سطح به حجم ممکن را داشته باشد.
2. فرآیند انبساط باید تا حد ممکن سریع انجام شود.
3. تراکم در ابتدای مرحله انبساط باید تا حد امکان زیاد باشد.
4. کورس انبساط می‌بایست تا حد امکان زیاد باشد.
پس از تلاشهای فراوانی که برای محقق کردن این اصول در ساخت موتورها انجام گرفت در سال 1876 یک مهندس آلمانی به نام «ان.ای.اتو» توانست موتوری را به ثبت برساند که همان چرخه چهارزمانه را به کار می‌بست. این چهار عمل عبارتند از :
· مرحله مکش
· مرحله تراکم
· مرحله توان
· مرحله تخلیه
که در اکثر موتورهای امروزی بکار می‌روند.
انواع موتورهای چهار زمانه
موتورهای چهار زمانه به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند که عبارتند از :<BR.
· موتورهای اشتعال جرقه‌ای :
در این موتورها برای مشتعل ساختن سوخت از یک جرقه استفاده می‌شود.
· موتورهای دیزل :
در این موتورها برای مشتعل ساختن سوخت از حرارت ایجاد شده در محفظه سیلندر و اتاقک احتراق استفاده می‌شود (این حرارت بالا به علت فشردگی زیاد سیال ایجاد می‌شود).
تفاوت موتورهای اشتعال جرقه‌ای و موتورهای دیزل در اینست که در موتورهای اشتعال جرقه‌ای در مرحله مکش مخلوط هوا سوخت (که اغلب بنزین یا گاز طبیعی است) وارد سیلندر می‌شود و پس از آنکه در مرحله تراکم این مخلوط در اتاقک احتراق فشرده شد در یک زمان مناسب (زمان بندی اشتعال )عمل انفجار مخلوط مذکور بوسیله یک جرقه انجام می‌گیرد.
در حالیکه در موتورهای دیزل در مرحله مکش هوای خالی به داخل محفظه سیلندر مکیده می‌شود و در مرحله تراکم نیز فقط هوای خالی در اتاقک انفجار فشرده می‌شود لیکن میزان فشردگی در موتورهای دیزل بیشتر از موتورهای اشتعال جرقه‌ای است. این فشردگی بالا باعث ایجاد حراست زیادی می‌گردد که به محض ورود سوخت در مرحله توان باعث احتراق آن می‌گردد.
ساختمان موتور چهارزمانه
موتورهای چهارزمانه خود گروهی از موتورهای احتراق داخلی هستند. موتورهای احتراق داخلی برای کار کردن به یک سری قطعات و سیستم‌ها نیازمندند. نظیر سیستم سوخت رسانی ، بدنه موتور ، سیستم سوپاپ‌ها ، سیستم خنک کننده و ... لیکن موتورهای چهارزمانه دارای مکانسیم‌هایی می‌باشند که انجام چهار مرحله مکش ، تراکم ، توان و تخلیه را به صورت مجزا ممکن می‌سازد (در موتورهای دوزمانه مراحل مکش و توان و تخلیه و تراکم با هم انجام می‌شوند) این مکانسیم‌ها عبارتند از:
· سیستم سوخت رسانی و تنظیم سوخت
· سیستم سوپاپ‌ها:که عمل ورود و خروج گازها را بطور دقیق کنترل می کند
· مانیفولد هوا و مانیفولد دود
· سیستم زمان بندی اشتعال
طرز کار
طرز کار هر دو نوع موتورهای چهارزمانه یعنی موتورهای اشتعال جرقه‌ای و موتورهای دیزل تا حد زیادی شبیه به هم است. لیکن در مواردی نیز با یکدیگر تفاوت دارد در ذیل اصول کلی کار موتورهای چهارزمانه را ذکر می‌کنیم.
· مرحله اول (مرحله مکش) :
در این مرحله سوپاپ ورودی هوا همزمان با حرکت رو به پایین پیستون درون سیلندر باز می‌شود. با این عمل مخلوط هوا و سوخت (در موتورهای اشتعال جرقه‌ای) و هوای خالی (در موتورهای دیزل) وارد محفظه سیلندر شده و آنجا را پر می‌کند.
· مرحله دوم (مرحله تراکم) :
این مرحله از لحظه‌ای شروع می‌شود که پیستون از پایین‌ترین نقطه مکانی خود شروع می‌کند به حرکت رو به بالا. در این مرحله هر دو سوپاپ هوا و دود بسته‌اند. پیستون سیال موجود در محفظه سیلندر را در داخل اتاقک احتراق واقع در سه سیلندر فشرده می‌کند.
· مرحله سوم (مرحله توان) :
در این مرحله سیال موجود در اتاقک احتراق منفجر می‌گردد (در موتورهای اشتعال جرقه‌ای اینکار بوسیله یک جرقه الکتریکی و در موتورهای دیزل بواسطه تزریق سوخت انجام می‌شود) در این مرحله نیز سوپاپ‌ها بسته‌اند. انرژی آزاد شده از سوختن مواد فسیلی باعث ایجاد نیروی فشارندگی پیستون می‌گردد که باعث پایین رفتن پیستون می‌شود.
· مرحله چهارم (مرحله تخلیه) :
در این مرحله گازهای ناشی از سوختن سیال تمام محفظه سیلندر را پر کرده‌اند در این مرحله سوپاپ دود باز می‌شود تا گازهای داغ ناشی از احتراق را از طریق مانیفولد دود از موتور خارج کند. حرکت رو به بالای سیلندر نیز به عمل تخلیه گازها کمک می‌کند.
پس از طی شدن این چهار مرحله که در دو دور چرخش میل لنگ انجام شده است. یک چرخه موتور چهار زمانه انجام شده است. و برای ادامه یافتن تولید توان این چرخه دوباره به ترتیب فوق و از مرحله اول از سر گرفته می‌شود. لازم به ذکر است که اکثر موتورهای امروزی بیش از یک سیلندر دارند که درکنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. لیکن این مراحل در همه آنها بصورت همزمان اتفاق نمی‌افتد. مثلا هیچ وقت ممکن نیست که در دو سیلندر عمل انفجار صورت گیرد. این امر به خاطر شکل بخصوص میل لنگ و نیز .... کار کردن موتور است.
کاربرد
موتورهای چهارزمانه امروزه پرکاربردترین موتورهای احتراقی هستند که در طیف وسیعی از خودروها به کار می‌روند. و علت آن نیز شتاب بالای این موتورها و نیز کارآیی و انعطاف پذیری زیاد این موتورهاست.
