En
|
موتور (engine)، دستگاهی است که انرژی گرمایی (حرارتی) را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند. در واقع موتور، یک دستگاه تبدیل انرژی است. انرژی گرمایی در موتور در نتیجه سوختن مواد قابل احتراق حاصل میشود. بر حسب اینکه فرآیند احتراق در داخل یا خارج موتور صورت گیرد موتورها به دو دسته کلی
ـ موتورهای احتراق داخلی
ـ موتورهای احتراق بیرونی
تقسیم میشوند. اهم مواد سوختی که به عنوان ماده قابل احتراق در داخل موتورهای احتراق داخلی (درونسوز) به کار گرفته میشود شامل فرآورده های نفتی (بنزین، گازوئیل یا دیزل و گاز) و الکل هستند. توضیح اصول کار موتورهای درونسوز وابسته به معرفی چند پارامتر به شرح زیر است (به تصویر 1 نگاه کنید):
ـ نقطه مرگ بالا: آخرین سطح بالا آمدن پیستون در داخل سیلندر است.
ـ نقطه مرگ پایین: آخرین سطح پایین آمدن در داخل سیلندر است.
ـ کورس پیستون: فاصله بین نقطه مرگ بالا و نقطه مرگ پایین است.
ـ حجم جابجایی پیستون: حجم کورس پیستون است.
ـ حجم محفظه احتراق: حجم محصور بین پیستون در وضعیت نقطه مرگ بالا.
ـ حجم کل سیلندر: حجم محصور بین پیستون در وضعیت نقطه مرگ پایین.
تصویر 1: پارامترهای شرح اصول کار موتورهای درونسوز دیزل یا بنزین
در هر موتوری لازم است که مراحل کار به طور صحیح با حرکت پیستون زمانبندی شده باشد، در غیر اینصورت موتور کار نمیکند. سوپاپ ها باید در زمان مناسب باز و بسته شوند تا اعمال مکش و تراکم هوا و خروج گازهای سوخته انجام گیرند. سوخت باید در زمان صحیح مشتعل شود تا زمانی که پیستون به طرف نقطه مرگ پایین میرود انرژی شیمیایی آن آزاد گردد. میل لنگ حرکت پیستون را کنترل کرده و همچنین اجزا دیگر موتور را که باید با حرکت پیستون زمانبندی شده باشند به حرکت در میآورد.
دو نوع سیکل کاری برای موتورهای درونسوز توسعه داده شده است شامل دو زمانه و چهار زمانه.
اولین موتور موفق احتراق داخلی یک موتور چهار زمانه بود که در سال 1876 توسط اتو ساخته شد. کارکرد این موتورها شامل چهار مرحله است. در مرحله مکش مخلوط سوخت و هوا وارد محفظه احتراق شده در مرحله تراکم هر دو دریچه ورود و خروج بسته شده تا در نتیجه افزایش فشار و دمای مخلوط مرحله دوم به انتهای خود نزدیک شود. در اواخر مرحله تراکم با جرقه شمع یا پاشش پودری سوخت دیزل در هوای متراکم داغ، مرحله احتراق و انبساط شروع میشود. در این مرحله پیستون از نقطه مرگ بالا به طرف پایین حرکت میکند. سپس برای تخلیه دود مرحله آخر اجرا میشود. در هر مرحله یا کورس موتور میل لنگ به میزان 180 درجه جابه جا میشود.
تصویر 2: کورس های موتور 4 زمانه
موتورهایی که چرخه آن ها با دو حرکت پیستون کامل میشود یا به عبارتی دارای چرخه دو مرحله ای هستند موتور دوزمانه نامیده میشوند. در این موتورها مراحل تراکم و تخلیه از هم مجزا نیستند. در موتور دو زمانه اشتعال جرقه ای زمانی که در کورس تراکم، پیستون به طرف بالا حرکت میکند در محفظه ی میل لنگ خلاء ایجاد می شود. با باز شدن سوپاپ یک طرفه مخلوط سوخت و هوا به داخل محفظه میل لنگ کشیده می شود. زمانی که پیستون در کورس توان به طرف پایین حرکت می کند سوپاپ یک طرفه بسته میشود و مخلوط دورن محفظه میل لنگ فشرده میگردد. پیستون در زمان پایین آمدن خود دریچه های ورود و خروج را باز میکند. زمانی که دریچه ها باز میشوند مخلوط فشرده شده در محفظه میل لنگ به درون محفظه احتراق هجوم میبرد گازهای سوخته شده را به طرف دریچه خروجی میراند. زمانی که پیستون دوباره بالا بیاید و دریچه ها را بپوشاند مخلوط درون محفظه احتراق رو به بالای پیستون متراکم میشود.
تصویر 3: کورس های موتور 2 زمانه
وقتی پیستون به نقطه مرگ بالا میرسد شمع جرقه میزند که در نتیجه مخلوط سوزان یا احتراق یافته، پیستون را به سمت پایین فشار میدهد. استفاده از محفظه ی میل لنگ به عنوان یک پمپ هوا با استفاده از آن به عنوان مخزن روغن تداخل دارد. در نتیجه روانسازی اجزای متحرک موتور دو زمانه با مخلوط کردن روغن با بنزین انجام میشود.
مزیت عمده موتورهای دوزمانه تولید توان بیشتر در مقایسه با اندازه آنها است. چون هر سیلندر دور زمانه در هر دور چرخش میللنگ یک کورس توان دارد، یک موتور دو زمانه توانی خیلی بیشتر از یک موتور چهار زمانه هم اندازه خود تولید میکند. موتورهای دو زمانه جرقه ای نسبت به موتورهای چهار زمانه از نظر مصرف سوخت، کمتر اقتصادی هستند و در حالت در جا نامنظم تر کار میکنند.
در موتورهای دیزل از نازل انژکتور برای پاشش پودری سوخت دیزل در محفظه احتراق استفاده میشود. وقتی سوخت به درون محفظه احتراق داغ پاشیده میشود به طور آنی و در لحظه مشتعل نمیشود. بلکه یک تاخیر اتفاق میافتد که در مدت این تاخیر سوخت تبخیر شده و با هوا مخلوط میشود. همچنین واکنش های پیش شعله وری معینی هم باید اتفاق بیفتد تا مخلوط سوخت و هوا را برای خود اشتعالی آماده کند. اگر قرار است که درصد زیادی از سوخت پیش از اینکه پیستون کاملا از نقطه مرگ بالا عبور کرده باشد بسوزد، به دلیل تاخیر در اشتعال لازم است که پاشش پیش از نقطه مرگ بالا شروع شود.
خصوصیات اصلی اشتعال تراکمی یا فرآیند احتراق موتورهای دیزل منجر به نتایج مهمی در موقع کار موتور دیزل میشود که در ادامه مورد بررسی قرار میگیرد.
1-چون شروع پاشش سوخت درست قبل از شروع احتراق انجام میگیرد، محدودیت کوبش مانند آنچه برای موتورهای اشتعال جرقه ای (موتورهای بنزینی) از اشتعال خود به خودی مخلوط سوخت و هوا ی نسوخته گاز انتهایی اتفاق میافتد، وجود ندارد. بنابراین در موتورهای دیزل نسبت تراکم بالا میتواند مورد استفاده قرار بگیرد که در نتیجه بازده احتراق این موتورهای بهتر از بازده موتورهای بنزینی خواهد بود.
2-چون زمانبندی پاشش سوخت جهت کنترل طول زمان احتراق به کار گرفته میشود تاخیر زمانی اشتعال که فاصله بین شروع پاشش سوخت و شروع احتراق است بایستی کوتاه و قابل تکرار باشد. همچنین به تاخیر زمانی کوتاه نیاز است تا فشار بیشینه سیلندر کمتر از مقدار بیشینه قابل تحمل باشد. بنابراین، مشخصات احتراق خود به خودی مخلوط سوخت ـ هوا باید در محدوده مشخص قرار گرفته باشد.
3-چون گشتاور موتور دیزل با مقدار سوخت تزریق شده در هر چرخه کنترل میشود (اساسا مقدار هوای ورودی در سیلندر و در هر چرخه تغییر نمیکند) موتور میتواند بدون نیاز به دریچه گاز کار کند. در نتیجه بازده مکانیکی موتور دیزل در حالت نیم باری بهتر است سایر موتور ها است.
4-هر اندازه مقدار سوخت پاشیده شده در هر چرخه بیشتر شود به خاطر سختی استفاده از هوا در جریان احتراق، دوده بیشتری توسط موتور دیزل تولید میشود که نتوانسته است قبل از خروج اکسیده شود. زیادی دوده اگزوز سبب میشود تا به اجبار، نسبت هوا ـ سوخت برای قدرت بیشینه موتور 20 درصد کمتر از حالت استاندارد (استوکیومتری) شود. بنابراین فشار موثر متوسط اسمی (در موتور با مکش طبیعی) کمتر از مقدار معادل در موتورهای بنزینی است.
5- چون موتورهای دیزل با مخلوط سوخت ـ هوای فقیر کار میکنند، به ازای نسبت انبساط معین بازده گرمایی آنها در مقایسه با موتورهای بنزینی بیشتر است.
6-یکی از مشکلات طراحی محفظه احتراق موتورهای دیزل به دست آوردن اختلاط سریع بین سوخت و هوا است تا بتواند فرآیند احتراق مناسب را در طول چند درجه میل لنگ، نزدیک به نقطه مرگ بالا کامل کند. همچنین، هر اندازه قطر سیلندر کاهش مییابد حرکت سریع هوا بیشتر مورد نیاز است. در حالی که در این حالت باید نفوذ افشانه انژکتور سوخت کمتر باشد.
موتورهای دیزل براساس طراحی محفظه احتراق به دو دسته کلی تقسیم میشوند:
ـ موتور دیزل با پاشش مستقیم
ـ موتور دیزل با پاشش غیر مستقیم
در موتور دیزل با پاشش مستقیم، سوخت دیزل به طور مستقیم داخل محفظه احتراق موتور پاشش میشود. اما در موتور دیزل با پاشش غیر مستقیم، محفظه احتراق موتور به دو قسمت تقسیم شده و سوخت توسط یک نازل یک سوراخه یا چند سوراخه به داخل محفظه احتراق فرعی که در سر سیلندر قرار دارد پاشیده میشود. امحفظه احتراق فرعی و اصلی (که در تاج پیستون تعبیه شده) توسط یک گلوگاه در ارتباط هستند. سیستم پاشش غیر مستقیم در موتورهای دیزل کوچک و تک سیلندر بیشتر کاربرد دارد.
در موتورهای دیزل با پاشش مستقیم، هر اندازه موتور کوچکتر باشد به مقدار حرکت گردبادی بیشتری جهت اختلاط آهنگ اختلاط سریع نیاز است. حرکت گردبادی مناسب، توسط طراحی بهینه دریچه ورودی هوا ایجاد میگردد. هر اندازه که پیستون به نقطه مرگ بالا نزدیک می شود آهنگ حرکت گردبادی زیادتر میگردد. چون با نزدیک شدن پیستون به نقطه مرگ بالا هوا بالاجبار به سمت محور سیلندر و به داخل کاسه (موجود در تاج پیستون) رانده میشود. اگر موتور دیزل کوچک از نوع دور بالا (سریع) باشد ایجاد حرکت گردبادی هوا توسط دریچه ورودی هوا به اندازه کافی در اختلاط بهتر سوخت و هوا موثر نخواهد بود. در این حالت باید موتور دیزل با پاشش غیر مستقیم به کار گرفته شود.
موتور بنزینی (petrol engine) نوعی موتور درونسوز با سوخت بنزین است که در آن بنزین با هوا در محفظه احتراق به صورت مخلوط فشرده میگردد و با جرقه شمع انفجار رخ میدهد. در اثر این انفجار نیرویی تولید میشود که پیستون را در کورس خود به حرکت وامیدارد.
بر اساس چرخه سوخت موتورهای بنزینی در دو مدل رایچ دو زمانه و چهارزمانه تقسیم میشوند. سیکل موتور بنزینی چهار زمانه به ترتیب مکش ـ تراکم ـ قدرت ـ تخلیه است. در مرحله مکش، پیستون به پایین حرکت میکند و سوپاپ هوا در بالای سر سیلندر باز میشود و بنزین وارد محفظه میگردد. زمانی که پیستون به سمت پایین حرکت میکند در بالای پیستون فضای خلاء به وجود میآید که این خلاء موجب مخلوط شدن هوا و بنزین میشود. زمانی که پیستون از از پایین ترین نقطه عبور میکند سوپاپ هوا بسته میشود و عمل تراکم آغاز میشود. در مرحله تراکم با بسته شدن سوپاپ هوا پیستون به سمت بالا حرکت میکند و قسمت خلاء متراکم میشود. زمانی که پیستون به بالاترین نقطه خود میرسد، شمع جرقه میزند و باعث انفجار میشود و منجر به حرکت پیستون به سمت پایین میشود. در مرحله تخلیه، پیستون پس از پایین آمدن در اثر احتراق باید دود حاصل از احتراق را تخلیه نماید. برای همین توام با حرکت رو به پایین پیستون سوپاپ تخلیه باز شده و دود خارج میشود.
برای آگاهی از میزان توان موتور بنزینی باید از دو مولفه باخبر باشیم. اول دور در دقیقه موتور و دوم گشتاور موتور. معمولا این دو مولفه روی پلاک یا در دفترچه راهنمای موتور ذکر میشود.
لازمه یک انتخاب صحیح، کسب اطلاعات و دانش کاربردی دستگاه ها و ادوات و آگاهی از نیازهای کاربردی است. در این بخش تفاوت های عمده موتور بنزینی و دیزل را بررسی میکنیم تا بتوانید مطابق شرایط کاری خود انتخاب مناسبی داشته باشید.
در بخشهای قبلی چگونگی عملکرد یا شیوه احتراق و انفجار در موتور های درونسوز دیزل و بنزینی را شرح دادیم. اصلی ترین و اساسی ترین تفاوت موتور بنزینی و دیزل در همین شیوه احتراق سوخت آنها است. در موتورهای بنزینی مخلوط سوخت و هوا متراکم شده در محفظه احتراق در اثر جرقه شمع منفجر میشود که سبب حرکت پیستون در سیلندر میشود. اما در موتورهای دیزل فشرده شدن یا متراکم شدن بسیار زیاد سوخت دیزل و پاشش ذرات پودری و ریز آن در هوای داغ و فشرده موجود در محفظه احتراق منجر به انفجار و در نتیجه حرکت پیستون در سیلندر میگردد.
نسبت تراکم درجهای است که یک گاز میتواند در سیلندر موتور فشرده شود. این نسبت در موتور دیزل و موتور بنزینی متفاوت است. هرچه نسبت تراکم عددی بزرگتر باشد یعنی عملکرد موتور بهتر است. در موتورهای دیزل نسبت تراکم بالاتر و بین 14:1 تا 23:1 است در مقابل برای موتورهای بنزینی نسبت تراکم بین 7:1 تا 10:1 بیان میشود.
تفسیر عدد نسبت تراکم به این شرح است که در موتورهای دیزل هوایی که وارد محفظه احتراق میگردد در مقایسه با حجم اولیه خود بین 14 تا 23 برابر فشرده میشود. این میزان متراکم شدن سبب داغ شدن هوا میگردد و با پاشش ذرات پودر شده سوخت دیزل به داخل آن انفجار صورت میگیرد. در موتور بنزینی میزان تراکم مخلوط سوخت و هوایی که وارد محفظه احتراق میشود نسبت به حالت اولیه آن بین 7 تا 10 مرتبه است بنابراین به جرقه شمع برای مشتعل شدن و افنجار نیاز دارد.
توجه داشته باشید به دلیل تفاوت شیوه احتراق در موتور بنزینی با دیزل، اجزا و قطعات متفاوتی نیز روی هر کدام نصب شده است.
دیزل یا گازوئیل سوختی بسیار سنگین تر از بنزین است چون زنجیره های هیدروژن و کربنی طولانی تر و سنگین تر دارد. محتوای انرژی دیزل بیشتر از بنزین است. محتوای انرژی دیزل 36.7 و بنزین 33.7 مگاژول در لیتر است. در بحث گرانوری، دیزل روغنی بوده و گرانوری بالاتری دارد و هرچه دما کمتر میشود گرانروی آن بیشتر میشود در حالی که بنزین با تغییرات دمایی دچار تغییر در رفتار نمیشود. به همین دلیل است که در هوای سرد موتور دیزل سخت تر روشن میشود.
در تفاوت های کاربردی ذکر این نکته ضروری است که موتورهای دیزل میتوانند گشتاور بالا در سرعت پایین تولید کنند بنابراین در شرایطی که نیاز به قدرت بالا در سرعت کم باشد کارایی قابل توجهی دارند. در مقابل بنزین به دلیل وزن کمتر کارایی و عملکرد بهتری را در سرعت های بالا فراهم میکند. این موضوع سبب شده تا در خودروها و یا ادوات کشاورزی و باغبانی که سرعت بالای کاری مورد نیاز است موتورهای بنزینی استفاده شود اما برای حمل بار و تامین توان برای اموری که قدرت بالا مورد نیاز است از موتورهای دیزل استفاده شود.
خالی از لطف نیست که عموما موتورهای دیزل در مقایسه با موتور بنزینی به طور متوسط 15 تا 20 درصد مصرف سوخت کمتری دارند و در نتیجه میزان انتشار گاز گلخانه ای کربن دی اکسید آن نیز به مراتب کمتر است. البته اخیرا موتورهای بنزینی هیبرید از نظر زیست محیطی عملکرد بهتری را نشان داده اند، همچنین معرفی بنزین بدون سولفور مسائل زیست محیطی مصرف بنزین را تا حد زیادی حل خواهد کرد.
تفاوت خواص سوخت مصرفی دیزل با بنزین و شیوه احتراق این دو نوع سوخت و نیز اهداف کاربردی ویژه ای که از موتورها انتظار میرود، طراحی متفاوت این موتورها را اجتناب ناپذیر نموده است. موتورهای دیزل برای احتراق سوخت در فشار بالایی قرار میگیرند در نتیجه باید در مقایسه با موتورهای بنزینی قویتر و سنگین تر از نظر وزنی ساخته شوند. این موضوع سبب شده تا قطعات موتورهای دیزل نیز بسیار مقاوم در برابر ضربههای احتراق طراحی و ساخته شوند. این در حالی است که در موتورهای بنزینی فرآیند احتراق ضربه و فشار به مراتب کمتری را تحمیل میکند بنابراین میتوان موتورهای بنزینی سبک تر و کوچک تر را طراحی نمود و ساخت.
ضریب تراکم کمتر و وجود شمع در موتور های بنزینی منجر به این شده که موتورهای بنزینی سریعتر و راحتتر استارت بخورند و روشن شوند. لزوم رسیدن به تراکم بسیار بالا در موتورهای دیزل روشن شدن آنها را بسیار سخت تر میکند. برای سوختها یک دمای خوداشتعالی تعریف میشود که دمایی است که در آن سوخت به طور خود به خودی مشتعل میشود. در موتورهای دیزل تا زمانی که دمانی انتهای کورس تراکم از دمای خود اشتعالی سوخت دیزل بیشتر نشود موتور روشن نمیشود. بنابراین، در هوای سرد روشن کردن موتور دیزل مشکل میشود. چرا که دمای خود اشتعالی سوخت دیزل 387درجه سلسیوس است و دمای هوای درون محفظه در ابتدای کورس در هوای سرد زیر 20 درجه سلسیوس است.
در موتورهای بنزینی میزان فراریت سوخت بنزین در روشن شدن موتور در حالت راه اندازی سرد موتور موثر است. در موقع راه اندازی (روشن کردن موتور) دمای مخلوط هوا و سوخت پایین است. بنابراین درصد کمتری از سوخت تبخیر میشود. در این حالت باید با بستن دریچه هوا (دریچه ساسات) مقدار هوای ورودی را کمتر کرد تا مخلوط غنی حاصل شود و به ازای همان سوخت تبخیر شده، مخلوط قابل استعالی حاصل گردد. هر قدر درصد سوخت تبخیر شده در دمای معین بیشتر باشد به همان اندازه زمان راه اندازی موتور کمتر خواهد بود.
سرعت در موتورهای بنزینی بسیار بیشتر از موتورهای دیزلی است. موتور دیزل در اهداف کاربردی و عملکردی خود برای کارهای قدرتی، سنگین و در دور پایین یا آهسته طراحی شده است. اما موتورهای بنزینی برای کارهای سبک تر که در سرعت بالاتر باید انجام شوند عملکرد مناسب را ارائه میکنند.
در زمان انتخاب و تصمیم گیری درباره نوع موتور دستگاه و ماشینآلاتی که باید در شرایط کاری خود به کار بگیرید حتما به حجم کاری و سرعت مورد نیاز توجه داشته باشید. برای مثال درباره عملیات پمپاژ آب باید تصمیم بگیرید موتور بنزینی باشد یا دیزل. باید توجه کنید اگر حجم کار یا عملیات پمپاژ آب مورد نظر شما زیاد است یعنی دستگاه موتور پمپ شما باید به صورت دائمی کار کند و اجرای عملیات پمپاژ آب در محل شما مداوم، طولانی و سنگین است باید موتور دیزل را انتخاب کنید. اما اگر به صورت متناوب و در فواصل زمانی برای حداکثر یکی دو ساعت قصد پمپ کردن آب را دارید و عملیات انتقال آب در محل شما سنگین محسوب نمیشود میتوانید یک دستگاه موتور پمپ بنزینی بخرید.
به طور کلی موتورهای دیزل ایمنی بالاتری در مقایه با موتورهای بنزینی دارند. گازوئیل یا سوخت دیزل بخارات کمی دارد و به صورت روغنی است. اما بنزین بسیار اشتعال پذیر است و بخارات زیادی را تولید میکند چون فرار تر از دیزل است.
هر دو نوع سوخت ذاتا فسیلی هستند و در نتیجه سوزاندن آنها آلایندگی و انتشار گاز گلخانهای را به همراه دارد. دیزل دوده های نسوخته و بوی بسیار بدی تولید میکند که برای سلامتی انسان بسیار مضر است. همچنین سرو صدای موتور دیزل بیشتز از موتور بنزینی است.
تذکر جدی: به هیچ وجه موتورهای دیزل و بنزینی را در فضای بسته روشن نکنید. انتشار دودهای مضر به سلامت افراد آسیب جدی میرساند.