کتاب موتورهای احتراقی و شناخت کامل اجزاء خودرو

بخشی از متن:
موتور برون سوز یا احتراق خارجی نوعی ماشین گرمایی می‌باشد که در آن سیال عامل داخلی توسط انرژی حاصل از احتراق یک سیال عامل دیگر گرم شده و در طی یک چرخه ترمودینامیکی کار توسط سیال عامل داخلی انجام می‌گردد[۱]. انرژی حاصل از احتراق توسط مبدل حرارتی از سیال خارجی به سیال عامل داخلی منتقل می‌شود. مانند موتور بخار، توربین بخار و موتور استرلینگ.

موتور درون‌سوز
پویانمایی عملکرد یک موتور دوزمانه با لولهٔ اگزوز

موتور چهارزمانه (موتور اتو)
۱. مکش
۲. تراکم
۳. احتراق
۴. تخلیه

موتورهای درون‌سوز یا موتورهای احتراق داخلی به موتور‌هایی گفته می‌شود که در آن‌ها مخلوط سوخت و اکسیدکننده (معمولاً هوا یا اکسیژن) در داخل محفظهٔ بسته‌ای واکنش داده و محترق می‌شوند. بر اثر احتراق گازهای داغ با دما و فشار بالا حاصل می‌شوند و بر اثر انبساط این گازها قطعات متحرک موتور به حرکت درآمده و کار انجام می‌دهند.[۱]هرچند غالباً منظور از به‌کار بردن اصطلاح موتورهای درون‌سوز، موتورهای معمول در خودروها می‌باشند، با این حال موتورهای موشک و انواع موتورهای جت نیز مشمول تعریف موتورهای درون‌سوز می‌شوند.

موتور درون‌سوز، یک وسیلهٔ گردنده است که در خودروها، هواگردها، قایق موتوری، موتورسیکلتها و صنایع کاربرد دارد. بدون بهره‌گیری از موتورهای درون‌سوز، اختراع و ساخت هواپیماها ممکن نبود. تا پیش از پرواز نخستین هواپیمای جت در سال ۱۹۳۹۹، نیروی محرکه تمام هواپیماها در واقع توسط موتورهای درون‌سوز تأمین می‌شد.

نخستین موتور درون‌سوز چهارزمانه توسط نیکلاس اوگوست اوتو، مخترع آلمانی ویلیام وگنر و در سال ۱۸۷۶ ساخته‌شد.

انواع
موتور درون‌سوز اتو

این موتورها را به دسته کلی موتور چهارزمانه و موتورهای دوزمانه می‌توان تقسیم کرد. اصول کاری این موتورها مشابه‌است. لیکن نحوه عمل آنها به علت تفاوت‌های ساختاری اندکی متفاوت است. البته ازنوع امروزی تر باید به چهار زمانه اشاره کرد که حتی تأثیر کمتری بر روی آلودگی هوا دارد.

موتور چهارزمانه: این موتورها برای هر انفجار (مرحلهٔ تبدیل انرژی سوخت به انرژی مکانیکی) بایستی چهار مرحلهٔ مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را انجام دهند.

موتورهای دوزمانه: این موتورها در هر دور چرخش دارای یک انفجار هستند. این کار با ترکیب کردن مراحل انفجار و دم و بازدم به‌عنوان یک مرحله و ترکیب تخلیه و تراکم به‌عنوان مرحلهٔ بعدی صورت می‌گیرد

راندمان موتورهای دو زمانه به مراتب از موتورهای چهارزمانه بیشتر است.

موتور درون‌سوز دیزل

موتور دیزل گونه‌ای موتور درون‌سوز است که در آن از چرخه دیزل برای ایجاد حرکت استفاده می‌شود. فرق اصلی آن با موتور اتو ایجاد احتراق در اثر تراکم است. یعنی انفجار بر اثر تراکم سوخت و هوابدون نیاز به جرقه زنی می‌باشد (سیستم احتراق داخلی دیزل).

موتور درون‌سوز وانکل

موتور دورانی که مخترع آن دکتر فلیکس وانکل بود، گاهی موتور وانکل یا موتور دورانی وانکل نامیده می‌شود. اجزای اصلی آن روتور، محفظه روتور، محور خروجی، شمع جرقه زنی، قطعات آبندی می‌باشد. در موتور وانکل مانند موتورهای بنزینی چهار زمانه مخلوط هوا و بنزین وارد محفظهٔ بزرگی از موتور می‌شود سپس با کو چک شدن حجم آن مخلوط هوا و بنزین تحت فشار قرار گرفته و با ایجاد جرقه به وسیله شمع انفجار حاصل می‌شود، مولکول‌های گاز دراثر احتراق منبسط می‌گردند و فشار محفظهٔ تراکم به شدّت بالا می رودو نیروی حاصل از آن به رو تور اعمال شده وبه علّت اختلاف مرکز دوران بین روتورومیل لنگ نیروی چرخشی درروتور ایجاد می‌گردد. این نیروی چرخشی به بادامک محور لنگ که در داخل روتور قرار دارد، وارد شده و به فلایویل و سیستم انتقال قدرت می‌رسد.

موتور دو زمانه

موتور درون‌سوزی که ۲ فرایند اصلی دارد. (۱- مکش سوخت + انفجار یا احتراق سوخت) .(۲- تراکم سوخت+خروج دود)

موتور چهار زمانه
موتور درون‌سوزی با چهار فرایند اصلی ۱-مکش سوخت ۲- تراکم ۳-احتراق ۴- خروج دود است.

موتور شش زمانه
موتور درون‌سوزی بر اساس موتور چهار زمانه با افزایش فرایند و کارکرد نسبت به آن و با ۶ عمل در چرخه فرایند.

چرخه اتکینسون
موتورهای دوار بدون پیستون
به موتورهایی که پیستون ندارند و بجای آن روتور دارند که بصورت دورانی حرکت می‌کند اطلاق می‌شود مانند موتور وانکل و موتور شبه توربین. این نوع موتورها در پهپادهایی استفاده می‌شود که در منطقه‌ای وسیع به شعاع 300km تا 500km مورد نیاز باشد استفاده می‌شود.

موتور شبه توربین

موتور شبه توربین خیلی شبیه موتور دورانی است، یک روتور درون بدنهٔ تقریباً بیضی شکل می‌چرخد. موتور شبه توربین روتور چهار جزیی دارد. گوشه‌های روتور با بدنه به خوبی آب بندی شده‌اند و نیز گوشه‌های روتور نسبت به بخش داخلی آب بندی اند. در نتیجه چهار محفظهٔ مجزا تشکیل می‌شود

موتورهای احتراق پیوسته

به موتورهایی که عمل احتراق به صورت منظم و پیوسته انجام می‌شود مانند موتورهای راکت و انواع موتور جت و توربین گازی

موتورهای احتراق ناپیوست

به موتورهایی گفته می‌شود که عمل احتراق به صورت متناوب انجام می‌شود مانند موتورهای پیستونی و پالس جت و موتور وانکل

توربین گازیموتور جت (شامل توربوجت، توربوفن، توربوشفت، توربوپراپ، رم‌جت، موشک،

شیوهٔ کار
موشک یک موتور درون‌سوز است که برای کارکردن، نیازی به هوای بیرون ندارد. موشک هم سوخت و هم مادهٔ اکسیدکننده را با خود حمل می‌کند. این دو ماده با هم در اتاقک احتراق می‌سوزند و گازهای داغی تولید می‌کنند که از طریق دهانهٔ خروجی تخلیه می‌شوند. درون اتاقک احتراق، گازهای داغ بر تمام جهات فشار می‌آورند.

اگر اتاقک کاملاً مسدود باشد، فشار در تمام جهت‌ها یکسان خواهدبود و موشک حرکت نخواهدکرد. اما اتاقک احتراق چنان ساخته می‌شود که این گازها با سرعت زیاد از دهانهٔ خروجی تخلیه شوند. این کار باعث می‌شود که فشار گاز در تمام جهت‌ها یکسان نباشد؛ چون فشار واردشده به طرف جلو بسیار بیشتر از طرف عقب است، موشک به سمت جلو حرکت می‌کند. این حرکت، از قانون سوم نیوتن پیروی می‌کند: «برای هر عمل، عکس‌العملی وجود دارد برابر و در جهت مخالف». در موشک، گازهای در حال فوران از دهانهٔ خروجی، عمل و فشار رو به جلو، یا پیشرانه، عکس‌العمل است. چون موشک سوخت و اکسیدکننده را با خود حمل می‌کند، و از آن‌جا که قانون سوم نیوتن در همه جا صدق می‌کند، پس موشک می‌تواند هم در جو زمین و هم در خلاء فضا حرکت کند.

سامانه جرقه‌زنی موتور اتو
سامانه جرقه‌زنی وظیفه دارد در زمان معین یک جرقه الکتریکی برای سوختن آمیزه‌ای از سوخت و هوا در موتورهای احتراقی ایجاد کند در موتور درون‌سوز نوع رفت و برگشتی یا همان پیستونی، جرقه در انتهای کورس تراکم کمی پیش از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا زده می‌شود. اجزا این سامانه شامل شمع، وایر شمع، دلکو، کویل، باتری می‌باشد.

ویژگی‌ها
بر خلاف موتورهای خودروی برقی، موتور درون‌سوز دارای صدها قطعه متحرک است. مواد مصرفی موتورهای درون‌سوز نیز مانند روغن، روغن گیربکس و مایع خنک‌کننده برای طبیعت موادی آلاینده هستند.

موتور درون‌سوز

موتورهای درون‌سوز یا موتورهای احتراق داخلی به موتور‌هایی گفته می‌شود که در آن‌ها مخلوط سوخت و اکسیدکننده (معمولاً هوا یا اکسیژن) در داخل محفظهٔ بسته‌ای واکنش داده و محترق می‌شوند. بر اثر احتراق گازهای داغ با دما و فشار بالا حاصل می‌شوند و بر اثر انبساط این گازها قطعات متحرک موتور به حرکت درآمده و کار انجام می‌دهند.[۱]هرچند غالباً منظور از به‌کار بردن اصطلاح موتورهای درون‌سوز، موتورهای معمول در خودروها می‌باشند، با این حال موتورهای موشک و انواع موتورهای جت نیز مشمول تعریف موتورهای درون‌سوز می‌شوند.

موتور درون‌سوز، یک وسیلهٔ گردنده است که در خودروها، هواگردها، قایق موتوری، موتورسیکلتها و صنایع کاربرد دارد. بدون بهره‌گیری از موتورهای درون‌سوز، اختراع و ساخت هواپیماها ممکن نبود. تا پیش از پرواز نخستین هواپیمای جت در سال ۱۹۳۹۹، نیروی محرکه تمام هواپیماها در واقع توسط موتورهای درون‌سوز تأمین می‌شد.[۲]

نخستین موتور درون‌سوز چهارزمانه توسط نیکلاس اوگوست اوتو، مخترع آلمانی ویلیام وگنر و در سال ۱۸۷۶ ساخته‌شد

انواع

موتور درون‌سوز اتو

این موتورها را به دسته کلی موتور چهارزمانه و موتورهای دوزمانه می‌توان تقسیم کرد. اصول کاری این موتورها مشابه‌است. لیکن نحوه عمل آنها به علت تفاوت‌های ساختاری اندکی متفاوت است. البته ازنوع امروزی تر باید به چهار زمانه اشاره کرد که حتی تأثیر کمتری بر روی آلودگی هوا دارد.

موتور چهارزمانه: این موتورها برای هر انفجار (مرحلهٔ تبدیل انرژی سوخت به انرژی مکانیکی) بایستی چهار مرحلهٔ مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را انجام دهند.

موتورهای دوزمانه: این موتورها در هر دور چرخش دارای یک انفجار هستند. این کار با ترکیب کردن مراحل انفجار و دم و بازدم به‌عنوان یک مرحله و ترکیب تخلیه و تراکم به‌عنوان مرحلهٔ بعدی صورت می‌گیرد.

راندمان موتورهای دو زمانه به مراتب از موتورهای چهارزمانه بیشتر است

موتور درون‌سوز دیزل

موتور دیزل گونه‌ای موتور درون‌سوز است که در آن از چرخه دیزل برای ایجاد حرکت استفاده می‌شود. فرق اصلی آن با موتور اتو ایجاد احتراق در اثر تراکم است. یعنی انفجار بر اثر تراکم سوخت و هوابدون نیاز به جرقه زنی می‌باشد (سیستم احتراق داخلی دیزل).

موتور درون‌سوز وانکل

موتور دورانی که مخترع آن دکتر فلیکس وانکل بود، گاهی موتور وانکل یا موتور دورانی وانکل نامیده می‌شود. اجزای اصلی آن روتور، محفظه روتور، محور خروجی، شمع جرقه زنی، قطعات آبندی می‌باشد. در موتور وانکل مانند موتورهای بنزینی چهار زمانه مخلوط هوا و بنزین وارد محفظهٔ بزرگی از موتور می‌شود سپس با کو چک شدن حجم آن مخلوط هوا و بنزین تحت فشار قرار گرفته و با ایجاد جرقه به وسیله شمع انفجار حاصل می‌شود، مولکول‌های گاز دراثر احتراق منبسط می‌گردند و فشار محفظهٔ تراکم به شدّت بالا می رودو نیروی حاصل از آن به رو تور اعمال شده وبه علّت اختلاف مرکز دوران بین روتورومیل لنگ نیروی چرخشی درروتور ایجاد می‌گردد. این نیروی چرخشی به بادامک محور لنگ که در داخل روتور قرار دارد، وارد شده و به فلایویل و سیستم انتقال قدرت می‌رسد.

موتور دو زمانه

موتور درون‌سوزی که ۲ فرایند اصلی دارد. (۱- مکش سوخت + انفجار یا احتراق سوخت) .(۲- تراکم سوخت+خروج دود)

موتور چهار زمانه
موتور درون‌سوزی با چهار فرایند اصلی ۱-مکش سوخت ۲- تراکم ۳-احتراق ۴- خروج دود است.

موتور شش زمانه
موتور درون‌سوزی بر اساس موتور چهار زمانه با افزایش فرایند و کارکرد نسبت به آن و با ۶ عمل در چرخه فرایند.

چرخه اتکینسون

موتورهای دوار بدون پیستون
به موتورهایی که پیستون ندارند و بجای آن روتور دارند که بصورت دورانی حرکت می‌کند اطلاق می‌شود مانند موتور وانکل و موتور شبه توربین. این نوع موتورها در پهپادهایی استفاده می‌شود که در منطقه‌ای وسیع به شعاع 300km تا 500km مورد نیاز باشد استفاده می‌شود.

موتور شبه توربین
موتور شبه توربین خیلی شبیه موتور دورانی است، یک روتور درون بدنهٔ تقریباً بیضی شکل می‌چرخد. موتور شبه توربین روتور چهار جزیی دارد. گوشه‌های روتور با بدنه به خوبی آب بندی شده‌اند و نیز گوشه‌های روتور نسبت به بخش داخلی آب بندی اند. در نتیجه چهار محفظهٔ مجزا تشکیل می‌شود

موتورهای احتراق پیوسته
به موتورهایی که عمل احتراق به صورت منظم و پیوسته انجام می‌شود مانند موتورهای راکت و انواع موتور جت و توربین گازی

موتورهای احتراق ناپیوسته
به موتورهایی گفته می‌شود که عمل احتراق به صورت متناوب انجام می‌شود مانند موتورهای پیستونی و پالس جت و موتور وانکل

توربین گازی
موتور جت (شامل توربوجت، توربوفن، توربوشفت، توربوپراپ، رم‌جت، موشک،

شیوهٔ کار

موشک یک موتور درون‌سوز است که برای کارکردن، نیازی به هوای بیرون ندارد. موشک هم سوخت و هم مادهٔ اکسیدکننده را با خود حمل می‌کند. این دو ماده با هم در اتاقک احتراق می‌سوزند و گازهای داغی تولید می‌کنند که از طریق دهانهٔ خروجی تخلیه می‌شوند. درون اتاقک احتراق، گازهای داغ بر تمام جهات فشار می‌آورند.

اگر اتاقک کاملاً مسدود باشد، فشار در تمام جهت‌ها یکسان خواهدبود و موشک حرکت نخواهدکرد. اما اتاقک احتراق چنان ساخته می‌شود که این گازها با سرعت زیاد از دهانهٔ خروجی تخلیه شوند. این کار باعث می‌شود که فشار گاز در تمام جهت‌ها یکسان نباشد؛ چون فشار واردشده به طرف جلو بسیار بیشتر از طرف عقب است، موشک به سمت جلو حرکت می‌کند. این حرکت، از قانون سوم نیوتن پیروی می‌کند: «برای هر عمل، عکس‌العملی وجود دارد برابر و در جهت مخالف». در موشک، گازهای در حال فوران از دهانهٔ خروجی، عمل و فشار رو به جلو، یا پیشرانه، عکس‌العمل است. چون موشک سوخت و اکسیدکننده را با خود حمل می‌کند، و از آن‌جا که قانون سوم نیوتن در همه جا صدق می‌کند، پس موشک می‌تواند هم در جو زمین و هم در خلاء فضا حرکت کند.

سامانه جرقه‌زنی موتور اتو

سامانه جرقه‌زنی وظیفه دارد در زمان معین یک جرقه الکتریکی برای سوختن آمیزه‌ای از سوخت و هوا در موتورهای احتراقی ایجاد کند در موتور درون‌سوز نوع رفت و برگشتی یا همان پیستونی، جرقه در انتهای کورس تراکم کمی پیش از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا زده می‌شود. اجزا این سامانه شامل شمع، وایر شمع، دلکو، کویل، باتری می‌باشد

ویژگی‌ها

بر خلاف موتورهای خودروی برقی، موتور درون‌سوز دارای صدها قطعه متحرک است. مواد مصرفی موتورهای درون‌سوز نیز مانند روغن، روغن گیربکس و مایع خنک‌کننده برای طبیعت موادی آلاینده هستند

حجم موتور
حجم موتور با مجموع حجم سیلندرها برابر است. به فضایی که هر پیستون در سیلندر بالا و پایین می‌رود (حد فاصل نقطه مرگ بالا و پایین)، حجم سیلندر گفته می‌شود. این حجم بیشتر با واحد 'سی سی یا همان میلی‌متر مکعب و گاهی با واحد لیتر بیان می‌شود.

موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن
اشتعال تراکمی سوخت همگن (HCCI) به موتورهای درونسوزی گفته می‌شود که در آن‌ها مخلوط کاملاً آمیخته سوخت و اکسیدکننده (معمولاً هوا) تا آستانه نقطه خود اشتعالی متراکم می‌شوند. همانند دیگر انواع احتراق، طی یک واکنش گرمازا، انرژی شیمیایی سوخت آزاد می‌شود و در موتور تبدیل به کار و گرما می‌گردد

نمونه آزمایشگاهی یک موتور HCCI

نوسان شدید قیمت سوخت‌های با پایه نفت خام و سخت گیرانه تر شدن قوانین زیست محیطی سبب شده است تا محققین موتورهای احتراق داخلی، تحقیقات خود را به سمت رفع این معضلات سوق دهند. دو استراتژی بزرگ برای انجام این روند وجود دارد: استفاده از سوخت‌های جایگزین، تغییر فناوری‌های سنتی. استراتژی اول منجر به استفاده از سوخت‌های نظیر گاز طبیعی فشرده، اتانول و هیدروژن در خودروها شده است. در استراتژی دوم نیز سعی بر این است که که با توسعه فناوری‌های به کار رفته در خودروها، مصرف سوخت و میزان تولید آلاینده‌های آن کاهش یابد. فعالیت‌های بسیار متنوعی در این خصوص صورت گرفته است که یکی از آنها استفاده از ایده موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن می‌باشد.

روش HCCI همزمان دارای ترکیبی از ویژگی‌های عملکردی موتورهای اشتعال جرقه‌ای، همان موتورهای بنزینی (SI)، و موتورهای اشتعال تراکمی، همان موتورهای دیزلی (CI)، می‌باشد. در واقع فرایند اختلاط سوخت و هوا در این ایده احتراقی به مثابه یک موتور اشتعال جرقه‌ای (بنزینی) انجام می‌پذیرد. اما به جای استفاده از تخلیه الکتریکی برای شروع اشتعال، دما و فشار گاز درون سیلندر را با استفاده از تراکم گاز تا حد خوداشتعالی کل مخلوط پیش می‌برند؛ لذا می‌توان بیان داشت که ایده احتراقی HCCI بر مبنای ترکیب دو روش احتراقی SI و CI می‌باشد. نکته حایز اهمیت این است که در موتورهای اشتعال تراکمی (دیزلی) همین خوداشتعالی رخ می‌دهد، منتهی شروع احتراق تابع زمان پاشش سوخت در هوای متراکم شده و آماده جهت افروزش می‌باشد

تاریخچه
اگرچه احتراق HCCI به طور گسترده‌ای، همانند احتراق بنزینی و دیزلی، مورد استفاده قرار نگرفته است؛ اما دارای سابقه بسیار طولانی می‌باشد. اساساً همان سیکل اتو در HCCI رخ می‌دهد. در واقع پیش از اینکه جرقه الکتریکی جهت شروع احتراق مورد استفاده قرار بگیرد، احتراق HCCI، احتراق شناخته شده‌ای بود. به عنوان مثال می‌توان از موتورهایی که برای اختلاط هوا و سوخت از تبخیر سوخت به وسیله لامپ داغ بهره می‌بردند، نام برد. متراکم سازی به همراه گرمای فوق‌العاده شرایط برای وقوع احتراق فراهم می‌کردند. به عنوان یک مثال دیگر می‌توان از مدل "دیزلی" موتور هواپیما نام برد.

شیوه کار
اصول این روش احتراقی بر این مبنا استوار است که مخلوطی (تقریباً) همگن از هوا و سوخت وارد محفظه احتراق شود و سپس به گونه‌ای در دما و فشار معینی مخلوط به حد خوداشتعالی برسد و احتراق آغاز گردد؛ لذا در این روش، فرایند آماده‌سازی مخلوط هوا و سوخت مانند اتو و فرایند احتراق همانند دیزل صورت می‌گیرد. این روش احتراقی - که در سالهای اخیر مورد توجه بسیاری از محققان موتوره

پرداخت با کلیه کارتهای عضو شتاب امکان پذیر است.