موتورهای درون سوز (موتورهای احتراق داخلی)
موتورهای درون سوز (موتورهای احتراق داخلی)
ریشه لغوی :
موتوردرون سوزیا موتوراحتراق داخلی ترجمه عبارت انگلیسی Intrer combustion Engine است. و به موتورهایی گفته میشود که سوخت درداخل محفظه موتورسوزانده میشود.
نگاه اجمالی :
یک موتور احتراق داخلی وسیله ایست که انرژی محبوس در سوخت های فسیلی نظیر بنزین، گازوئیل و یا نفت ، گاز مایع LPG را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده و آنرا در انتهای شفت میل لنگ ، خارج ازپوسته موتور،به صورت چرخش صفحه فلایویل دراختیارمصرف کننده میگذراد.
تاریخچه :
اولین تجربه کارآ و قابل ذکر درزمینه ساخت موتوهای احتراق داخلی درسال 1876میلادی اتفاق افتاد.دراین سال یک مخترع آلمانی به نام «ان.ای.اتو موفق شد که یک موتوراحتراق داخلی،چهار زمانه را به ثبت برساند که اصول کار موتور در حال حاضر اصول کا 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 پیشرفته تری ساخته شدهاند که با نمونه اولیه بسیار مشابهند. البته درسال 1957 موتوری توسط «وانکل» ساخته شد که اگرچه اصول موتورهای اتو رابه کارمیبرد 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 درواقع 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 دورچرخش 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 دیگربرای طبقه بندی این موتورها(اعم ازدوزمانه یا چهارزمانه)ذکرکردن تعداد سیلندرهای این موتورهاست. در این موتورها سیلندرها که درواقع واحدهای تولید انرژی مکانیکی می باشند در کنار یکدیگرقرارمیگیرند.براین 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 نیزبرای طبقه بندی این موتورها بکارمیرود.مثلااگرنحوه آرایش سیلندرها را معیار در نظر بگیریم میتوانیم موتورها را به انواع: موتورهای خطی ، موتورهای V شکل یا خورجینی وموتورهای شعاعی تقسیم بندی کنیم و یا اینکه میتوان برای طبقه بندی موتورها از حجم آنها استفاده کرد که عبارت است ازحجم کل پیستونهای آنهازمانیکه درنقطه مرگ پایین باشند. روش دیگر برای طبقه بندی این موتورها ، نحوه مشتعل شدن سوخت دراین موتورها است.براین اساس موتورهای احتراق داخلی به دو دسته تقسیم می شوند.
-
موتور اشتعال جرقهای :
این موتورها،برای سوزاندن ماده سوختنی ازسیستم 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 کارموتورهای احتراق داخلی را به شکل خلاصه میتوان اینگونه بیان کرد:
· مکش :
مخلوط آزمایشهای مربوط به هواوسوخت(درموتورهای 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 چهارمرحله 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 انفجارانرژی آزاد شده از سوختن ماده سوختنی آزاد شده است و باعث حرکت پیستون میگردد. ازآنجایی که حرکت پیستون به صورت 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 (برحسب تعداد سیلندرموتور) 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 ونحومطلوب وظیفه خود راانجام دهند.اجزاوسیستمهای تشکیل دهنده یک موتور احتراق داخلی را میتوان به شرح زیر برشمرد.
-
سرسیلندر :
بر روی سیلندر قرار میگیرد و محل قرار گیری سوپاپها ، شمعها و ... میباشد. -
پیستون :
قطعه متحرکی است که در داخل سیلندر بالا و پایین میرود و به میل لنگ متصل است. -
میل لنگ :
تبدیل کننده حرکت رفت و برگشتی به حرکت چرخشی است. -
سیستم هوارسانی :
به ساختارهایی گفته میشوند که محفظه سیلندر را به هوای بیرون مربوط میکند. -
سیستم سوخت رسانی :
وظیفه رساندن و تنظیم میزان سوخت مصرفی را بر عهده دارد. -
سیستم خنک کننده :
وظیفه کنترل دمای کاری موتور را به عهده دارد. -
سیستم روغن کاری :
جهت کم کردن سایش و انتقال حرارت موتور به کار میرود. -
سیستم برقی :
جهت اشتعال سوخت وایجاد جرقه کاربرد دارد.(موتورهای دیزل فاقد این سیستم میباشد) -
سیستم سوپاپها :
جهت زمان بندی ورود آزمایشهای مربوط به هوا و خروج دود به کارمیروند. (موتورهای دوزمانه فاقد این سیستم اند) -
سایر قطعات :
رینگهای پیستون ، میل بادامک ، چرخ لنگر یا فلاپویل ، یاتاقانها ،کاورنر،و وزنههای تعادل.
کاربردها:
موتورهای احتراق داخلی امروزه گستردهترین وپراستفادهترین انواع موتورها میباشند.و بیشترین کاربرد این موتورها در اتومبیلها ، کامیونها و سایروسایل نقلیه است. البته درکارهای ایستا نظیر پمپ کردن آب یا آسیابها هم از این موتورها استفاده میشود. شاید زمانی که برق منطقهای قطع شده است مشاهده میکنید که یک مغازه یا کارخانه یا مجتمع مسکونی و ... دارای برق است. این برق رابا استفاده از انرژی جنبشی یک موتوراحتراق داخلی واستفاده ازیک ژنراتورتولید میکنند. و ...
نقش موتورهای درون سوز در زندگی ما:
طیف وسیع و گستردهای از وسایل متحرک اطراف ما برای تامین حرکت خود به موتورهای احتراق داخلی وابستهاند. تصور کنید اگرتنها یک شبکه حمل و نقل (که 100 درصد به موتورهای احتراق داخلی وابسته است) از کار بیافتد زندگی روزمره به چه شکلی درخواهد آمد؟
موتور هاي احتراق داخلي
سيکل کاري اين موتورها اولين بار توسط مهندس نيکلاس اتو آلماني مطرح شد و به مرحله توليد رسيد.
انقلاب بعدي ۱۶ سال بعد در سال ۱۸۵۸بدست مهندس رودلف کريستين کارل ديزل صورت گرفت. موتور اتو را حجم ثابت و موتور ديزل را فشار ثابت گويند بهاين دليل که درموتورهاي اتو (بنزيني وگازي )نيرو ازاحتراق سوخت و هوا درحجم ثابت بدست مي يد ولي درموتورهاي ديزلي از احتراق در فشار ثابت در سر پيستون توليد مي شود.
مو تورهاي دوار (روتوري):
نسل بعدي انجين با سيکل اتو بودکه در سال ۱۹۶۴ توسط مهندس فيلکس وانکل آلماني ساخته شد و از آن زمان همواره به همراه برادرهاي ديزلي و بنزيني خود دچار تکامل بوده و هست.
اساس کاروانکل (دوار-روتوري)همانند سايرموتورهاي احتراق داخلي برمبني تبديل انرژي است. يعني انرژي شيمييائي=>سوخت ابتدا به< =انرژي حرارتي و سپس به=> انرژي مکانيکي تبديل مي شود.
اجزاي يک خودرو:
هر خودرو از هفت جز تشکيل ميشود:
۱ـتوليد قدرت (موتور) ـ که درموتورهاي امروزي بيش از ۱۵۰ متحرک وظيفه تبديل انرژي را برعهده دارد.
۲ـانتقال قدرت (گير کبس و ديفرانسيل) ـ کار انتقال نيرو ازموتور به چرخ ها را بعهده دارد.
۳ـ گروه فنر بندي و تغليق ـ که بايد آسايش سرنشينان و تسلط راننده بر خودرو راافزايش دهد.
۴ـ ترمز وچرخ بندي ـ جالب است که بدانيدهنگامي که سرعت به ۹۰km/h مي رسد گرمي توليد شده در چرخها هنگام ترمز،به علت اصطحکاک بوجود آمده به بيش از 90 درجه سانتي گراد مي رسد.
۵ـ اتاق و شاسي ـ درساخت بدنه يک اتومبيل سواري( مثل پيکان)حدود ۴۰متر مربع ورق فولادي وآلياژي با ضخامت حدود ۴/۰ تا۲/۱ بکار ميرود!
۶ـ مدرات الکتريکي ـ که بيچيده ترين و دقيق ترن محاسبات را دارا مي با شد.
۷ ـ گروه هدايت و فرمان ـ متوسط نيروي وارده از طرف دست راننده بر قربالک فرمان حدود ۵ تا۱۰ kgاست که با بهره گيري از سيستم هاي فشار قوي(هايدروليک و...) به ۳۰ گرم مي رسد!
كار موتور :
موتوردستگهاي است كه بامصرف سوخت انرژي حركتي توليد ميكند و خودرو را به حركت در مي آورد.
نحوه عملکرد:
امروزه موتورهاي مختلفي ساخته شده و هركدام از اين موتورها به روشي كار مي كنند :
1.موتورهاي روتاري
2.موتورهاي توربيني
3.موتورهاي 2زمانه
4.موتورهاي 4زمانه
موتور با مصرف كردن سوخت به كار مي افتد . و طي 4 مرحله اين سوخت تبديل به انرژي حركتي ميشود .
مراحل كاركرد موترهاي 4 زمانه:
1.مكش
2.تراكم
3.انفجار
4.تخليه
كار اين مراحل به صورت زير است:
1.دريچه سوپاپ گاز باز ميشود
2.با پايين رفتن پيستون خلاء در سيلندر ايجاد ميشود
3.سوخت مورد مصرف موتور با هوا مخلوط شده و وارد موتور ميشود
4.دراين هنگام دريچه سوپاپ بسته و پيستون به طرف بالا ميرود و سوخت را متراكم ميكند (مرحله تراكم)
5.بعداز تراكم بايك جرقه از شمع سوخت متراكم شده در سيلندر منفجر ميشود (مرحله انفجار)
6.در موقع انفجار پيستون به طرف پايين رفته و ميل لنگ كه درست مثل پايدن دوچرخه است را به حركت در مياورد.
7.وقتي مرحله انفجار تمام شد نوبت به مرحله تخليه ميرسد كه در اين مرحله گاز و دودهاي حاصل از انفجار با باز شدن سوپاپ دود و بالا رفتن پيستون از درون سيلندر خارج ميشوند (مرحله تخليه)
طي اين مراحل بالا و پايين رفتن هاي پيستون در ميل لنگ حالت دوراني به وجود مي يد و اين حالت به چرخها منتقل ميشود.
موتور ها (از نظر آرايش قرار گرفتن سيلندرها)به چند دسته تقسيم مي شوند :
۶سيلندر و ۴سيلندر رديفي ( يا خطي)-همانطوريکه در شکل معلوم است سيلندر ها کنار هم قرار گرفته و نوبت کاري برابر ۱۲۰درجه است.
۶سيلندر و ۸سيلندر Vشکل(خورجيني - جناقي)-در اين حالت اگر از جلو به موتور نگاه کنيم بين سيلندر ها زاويه وجود دارد و دو شاتون(دسته پيستون) بر روي يک لنگ ميلنگ قرار ميگيرد در اين طرح موتور بسيار نرم و روان کار کرده و ابعاد آن بسيار کوچکتر و سبکتر از انواع رديفي ميباشد.
نوع خوابيده (باکستر )-همان Vشکل است منتها زاويه قرارگيري بين سيلندر ها به ۱۸۰درجه رسيده است.
نوعw شکل : جديد ترين طرح است که از ادقام دو موتورV شکل ساخته ميشود وعلت اين که ساخت اين موتور به تعويق افتاده(نسبت به بقيه طرح ها) آلياژ مخصوص ميلنگ مي باشد. که بايد با هر لنگ خود نيروي وارده از چند شاتون را تحمل کرده و تبديل کند.
انواع ۴ و ۸ و....(در اعداد زوج به اين صورت است و در اعداد فرد تنها زاويه لنگها فرق مي کند سيلندر هم، مانند ۶سيلندر ميباشد. در ضمن بهترين نوع موتور از نظراقصادي ۶سيلندر خطي بوده که اين روز ها بدليل گراني سوخت و کاهش مصرف سوخت جي خودرا به نوعV داده است و بهترين حجم بري هر سيلندر نيم ليتر است ،پس يک موتور ۶سيلندر با حجمي حدود سه ليتر ايده آل است.
بیودیزل(Biodiesel) یک نوع سوخت تجدید پذیر و تجزیه پذیراست که از روغن گیاهی ویا چربی حیوانی به دست میآید.این سوخت رامیتوان باگازوئیل مخلوط ودرخودروهای گازوئیل سوز بهکار برد. نتیجههای مثبت استفاده از بیودیزل در کاهش آلودگی هوا ازسوی سازمانهای معتبر جهانی تایید شده است.
بیودیزل سوختی همگام باطبیعت:
کمبود یا به عبارتی کاهش ظرفیت پالایشی در جهان، یکی از عوامل بروز این مشکلات است اما موضوع به همین جا ختم نمیشود زیرا آلودگی ناشی از سوختهای فسیلی و پایانپذیر بودن آنها نیز از دیگر عواملی است که بشر را به تلاش برای دستیابی به سوختهای جانشین برای این منابعواداشتهاست.بیودیزلسوختی جدیدوتجدیدپذیراست که استفاده از آن در بسیاریازکشورهایدنیامتداولاست.
بیودیزل سوختی تجدید پذیر و تجزیهپذیر است که از روغن گیاهی یا چربی حیوانی به دست میآید. این سوخت را میتوان براحتی با گازوئیل مخلوط و در خودروهای گازوئیل سوز استفادهکرد. .
ذرات معلق و هیدروکربنهای نسوخته که از اگزوز خودروهای دیزلی خارج میشوند، سمی و سرطانزا هستند و تهدیدی برای سلامت انسانها به شمار میآیند. این در شرایطی است که نتایج مثبت استفاده از بیودیزل در کاهش سمیت و آلودگی هوا از سوی ارگانها و سازمانهای معتبرجهانیتاییدشدهاست
برای مثال، گیاه سویا دیاکسید کربن هوا را جذب میکند و پس از استخراج روغن از دانههایسویا،بهبیودیزلتبدیلمیشود.
سوختن این ماده، دیاکسید کربن تولید میکند و دیاکسید کربن تولید شده به وسیله گیاهی که سوختازآنتهیهشدهاست،بازجذبمیشود.این چرخه هیچ دیاکسید کربنی وارد طبیعت نمیکند و نتایج تحقیقات نشان داده است که اگر 20 درصد باک خودرو را با بیودیزل پر کنیم، هیچ نیازی به تغییر سیستم احتراق یا تغییر قطعات خودروها نیست و میتوان این سوخت را بدون هیچاشکال درموتورهایامروزیمصرفکرد.
طبیعی است که پر کردن 20 درصد از باک خودرو با این ماده به همین مقدار از آلایندههایی مانند دیاکسید کربن، هیدروکربنها و منواکسیدکربن میکاهد، اما درخصوص گوگرد این مقدار حتی قابل توجهتر است؛ چنان که گوگردی که از این سوخت حاصل میشود، 15 درصد و تقریبا غیرقابل اندازهگیری است بنابراین دستکم برای کاهش گوگرد در سوخت دیزل میتوان از مخلوط بیودیزل و گازوئیل استفاده کرد.
علاوه بر اینها، استفاده از مخلوط بیودیزل و گازوئیل سبب حذف دود متراکم و سیاه حاصل از سوخت خودروهای دیزلی خواهد شد. حتی بویی که از سوختن آن ایجاد میشود، شبیه بوی سیبزمینی سرخ کرده و ذرت بو داده است، یعنی به میزان چشمگیری بوی بد گازوئیل را کاهشمیدهد،اگرچهصددرصدحذفنمیکند.
بر اساس تحقیقات ما آمریکا، آلمان و مالزی از جمله کشورهایی هستند که روی این سوخت کار کردهاند. این سوخت در آمریکا به عنوان یک سوخت جانشین برای موتورهای دیزلی بشدت مطرح است و سالانه 300 میلیون گالن بیودیزل در این کشور تولید میشود اما با افزایش درخواست برای این سوخت و ایجاد واحدهای صنعتی تولید کننده، قرار است میزان تولید این سوخت در آمریکا به 600 میلیون گالن در سال برسد. در کشور آلمان نیز این سوختدربسیاریازاتوبوسها استفادهمیشود.
علاوه بر این، تولید این سوخت میتواند بخش را نیز به تحرک وادارد، زیرا این سوخت از روغنهای گیاهی به دست میآید، پس با تولید آن نیاز بیشتری به کاشت دانههای گیاهی است که به اشتغالزایی در بخش کشاورزی کمک میکند.
نکته مهم دیگر، امکان استفاده مجدد از روغنهای گیاهی سوخته برای تولید بیودیزل است. از روغنهای سوخته که در بسیاری جاها از جمله اغذیه فروشیها به مقدار زیاد استفاده و در پایان روز دور ریخته میشوند، میتوان در تولید بیودیزل استفاده کرد.
به طور کلی سوخت بیودیزل خاصیت روانکنندگی زیادی، تقریبا دو برابر سوخت های معمولی، دارد که دلیل آن ویسکوزیته بالای این سوخت است؛ بنابر این میتواند سبب افزایش عمر خودرو شود. صرفهجویی در مصرف سوخت را نیز به همراه دارد.
حتی با اضافه کردن حدود 2 درصد بیودیزل به نفت سفید میتوان خاصیت روانکنندگی آن را افزایش داد.در یک جمعبندی میتوان گفت که استفاده از بیودیزل سبب وابسته نشدن به سوخت دیزل حاصل از نفت خام میشود.
منابع هیدروکربوری، پایان پذیر هستند که تشکیل آنها میلیونها سال زمان برده است و ما با مصرف آنها در واقع سرمایههایی را از میان میبریم که تجدیدپذیر نیستند حتی استفاده از مخلوط این سوخت با گازوئیل نیز میتواند به کاهش 20 درصدی مصرف گازوئیل منجر شود.
استفاده از بیودیزل، کاهش چشمگیر در میزان آلایندهها را در پی دارد و به دلیل تجزیهپذیر بودن براحتی در طبیعت جذب میشود و سمیت بسیار پایین این سوخت، کار کردن و حمل و نقلآنراآسانترمیکند
توجه به آنچه صنعت سبز یا شیمی سبز خوانده میشود و به کاهش آلودگی و صدمه به طبیعت کمک میکند، امروزه در بسیاری از کشورهای جهان مورد توجه است و ما نیز نباید در این زمینه عقب باشیم؛ چنان که امروزه با افزایش بهای بنزین و دیگر فرآوردههای نفتی، مصرف سوخت هایی که از منابع گیاهی به دست میآید نیز بسیار مورد توجه است. گمان میکنم همه اینها دلایل خوبی باشند که توجه ما را به استفاده از این سوخت جلب کنند.
انجام پروژه های درسی و پایان نامه های رشته های محیط زیست و شیلات و کلیه رشته های مرتبط با کشاورزی پذیرفته می شود.