موتورهای درون سوز و هر آنچه باید درباره آنها بدانید

در فیلم های سینمایی قدیمی می بینیم که بسیاری از قطارها و ترامواها از پیشرانه های بخار استفاده می کنند. مشکلات این پیشرانه ها زیاد بود؛ اما یکی از مهم ترین آنها، احتراق و سوخت وساز در بیرون از پیشرانه تا گرم شدن آب بود تا بخار تولیدشده درون سیلندرها برای به حرکت درآوردن قطار استفاده شود.

از این رو مهندسان به فکر طراحی موتورهایی افتادند که از ابتدای سوخت وساز تا خروج نیرو به سمت چرخ ها در یک فضای بسته اتفاق افتد و به این ترتیب، جرقه های ساخت موتورهای درون سوز بنزینی و دیزلی زده شد. بیش از یک قرن است که موتور درون سوز برای حرکت وسایل نقلیه استفاده می شود و حالا نیز این موتور خودرو در حال کنار رفتن و جایگزینی با موتورهای برقی است.

موتور درون سوز چیست؟

به موتورهایی که احتراق سوخت و آزادشدن انرژی نهفته در سوخت تا حرکت میل لنگ و خروج توان ایجادشده در یک فضای بسته به نام سیلندر اتفاق می افتد، موتور درون سوز یا پیشرانه احتراق داخلی یا Internal Combustion Engine که به اختصار ICE نام دارد، گفته می شود.

سوخت و هوا درون سیلندرها متراکم می شوند و این ترکیب با کمک یک جرقه در موتورهای بنزینی یا در اثر تراکم بالا در موتورهای دیزل، منفجر و انرژی آن آزاد می شود. از آنجایی که احتراق و سوخت وساز در فضای سیلندر که یک محیط بسته است رخ می دهد، به این پیشرانه ها، موتور احتراق داخلی یا درون سوز می گویند.

سوخت موتورهای احتراق داخلی یکی از انواع سوخت شامل بنزین، گازوئیل، گاز مایع LPG و LNG، گاز شهری CNG، بیودیزل، بیومتان و… هست.

تاریخچه موتور درون سوز

هرچند که اولین حرکت ها به سمت طراحی موتورهای درون سوز به شکل موتورهای امروزی را باید از اوایل قرن نوزدهم بدانیم، اما ایده هایی از قرن هفدهم دیده می شود که اساس و هدف همه آنها، استفاده از انرژی نهفته در سوخت برای حرکت یک جسم در یک فضای بسته است. اما همان طور که گفتیم باید قدم های اصلی برای رسیدن به موتورهای درون سوز به شکل امروزی را از قرن نوزدهم بدانیم. هرچند که چندین دهه قبل از آن و حتی در قرن هجدهم نیز می توان ردپا و حرکت های اولیه برای ساخت یک موتور درون سوز را دید.

با اینکه اولین طرح ها از ساخت موتورهای درون سوز را یک مهندس فرانسوی به نام فیلیپ لوبون دومبرستین در سال ۱۸۰۱ معرفی کرد و کارل بنز اولین طرح از موتورهای دوزمانه را در سال ۱۸۷۹ به دنیا نشان داد، اولین طرح تجاری از موتور درون سوز دو زمانه را در سال ۱۸۸۱ یک مهندس اسکاتلندی به نام دوگالد کلرک به نام خود ثبت کرد.

در سال ۱۸۸۵، کارل بنز یک وسیله نقلیه به نام بنز پتنت موتورواگن که اکثرا آن را اولین خودرو می دانند، با یک موتور چهارزمانه به قدرت ۰.۷۴ اسب بخار را، معرفی کرد. استفاده از موتور احتراق داخلی رونق گرفت و در سال ۱۸۸۵، گوتلیب دایملر آلمانی، اولین موتورسیکلت با موتور ICE را معرفی کرد. اما اولین طرح از موتورهای دیزل را رودولف دیزل آلمانی در سال ۱۸۹۲ نمایش داد و ۵ سال بعد، اولین موتور کاربردی دیزل توسط او با همکاری کمپانی MAN ساخته شد.

موتور درون سوز

نحوه عملکرد موتور درون سوز

عملکرد موتورهای درون سوز بر پایه آزادسازی انرژی نهفته در سوخت و تبدیل آن به حرکت دورانی و گردش میل لنگ است. اما عملکرد موتور درون سوز بر اساس نوع آن به چندین مدل مختلف طبقه بندی می شود.

بر اساس حرکت رفت و برگشتی: موتورهای درون سوز بر اساس حرکت رفت و برگشتی پیستون در سیلندر است.
بر اساس حرکت دورانی: موتور وانکل به عنوان تنها موتور خودرو با عملکرد چرخشی است.
موتور جت و توربینی: بر اساس سوخت وساز پیوسته و دائم سوخت است.

انواع موتور درون سوز

هرچند که امروزه موتورهای ICE که در صنعت خودروسازی، موتورسیکلت، صنایع کشتی سازی، ادوات باغبانی و… استفاده می شوند، همه از نوع پیستونی هستند؛ اما باید بدانیم که انواع موتور درون سوز دیگری نیز وجود دارند که شکل کاری آنها متفاوت از موتورهای رایج هست. ضمن اینکه می توان موتورهای احتراق داخلی را بر اساس شاخص ها و فاکتورهای متفاوتی دسته بندی کرد.

موتور درون سوز اتو

چرخه و سیکل کاری اتو، امروزه به عنوان سیکل کاری موتورهای احتراق داخلی استفاده می شود. در این چرخه گفته می شود که یک چرخه از کارکرد پیشرانه شامل چهار عمل مکش، تراکم، انفجار و تخلیه است تا آزادسازی انرژی سوخت و هوا اتفاق بیفتد.

موتور درون سوز اتکینسون

موتورهای اتکینسون و چرخه کاری این نوع موتورها توسط جیمز اتکینسون انگلیسی در سال ۱۸۷۶ طراحی شد. چرخه کاری این نوع موتورها دقیقا شبیه به موتورهای اوتو است. با این تفاوت که زمان باز بودن و بسته شدن سوپاپ هوا کمی تفاوت دارد. بعد از مرحله مکش و آغاز مرحله تراکم و بالا آمدن پیستون، سوپاپ هوا کمی دیرتر بسته می شود تا مقداری از مخلوط سوخت و هوا به سیلندر بعدی فرستاده شود. به این ترتیب، مصرف سوخت کاهش پیدا می کند و به همین دلیل از این نوع موتور در خودروهای هیبریدی و کم مصرف استفاده می شود.

موتور درون سوز دیزل

موتورهای دیزلی یکی از انواع بسیار پرکاربرد از موتور احتراق داخلی هستند که قدمتی برابر با موتورهای بنزینی دارند. موتورهای دیزل امروزی حتی از نمونه های بنزینی نیز پاک تر و با داشتن بازدهی بالا، از نظر اقتصادی و آلایندگی هم بسیار به صرفه هستند. موتورهای دیزل طبق سیکل دیزل کار می کنند.
مراحل چهارگانه مکش، تراکم، انفجار و تخلیه در این موتورها مثل پیشرانه های بنزینی وجود دارد. با این تفاوت که خبری از شمع برای جرقه زنی و انفجار مخلوط بنزین و هوا نیست و مخلوط سوخت دیزل و هوا بر اثر تراکم بسیار بالای این مخلوط و داغ شدن آن، به طور خود به خود منفجر می شود. موتورهای دیزل، گشتاور بالاتری از نمونه های بنزینی دارند و به همین دلیل برای صنایع سنگین و خودروهای تجاری، مناسب تر هستند.

انواع موتور درون سوز

موتور درون سوز وانکل

موتورهای وانکل یا دوار یا روتاری توسط مهندس آلمانی فلیکس وانکل طراحی و اختراع شد. در این نوع موتور خودرو، سیلندر و پیستون به شکل موتورهای رایج نیست و از یک محفظه بیضی شکل به عنوان سیلندر استفاده می شود و یک قطعه سه گوش دوار در این محفظه بیضی، دوران می کند. با دوران این قطعه در محفظه، در هر قسمتی شاهد یکی از چهار عمل احتراق هستیم.

این موتورها با وجود داشتن راندمان بالای حجمی، چون مقداری از هوای تازه واردشده و دود مانده از انفجار قبلی با هم ترکیب می شوند، آلایندگی بالایی دارند و همچنین روانکاری آنها نیز سخت و پیچیده است. ضمن اینکه مقداری از روغن موتور نیز در حین احتراق می سوزد که باز هم باعث افزایش آلایندگی آن می شود. شرکت مزدا در سری خودروهای RX خود از این موتور استفاده می کرد.

موتور بورک

موتور بورک که توسط راسل بورک در دهه ۱۹۳۰ میلادی ابداع شده است، ساختاری شبیه به موتور تخت یا همان باکسر دارد. به این معنی که سیلندرها دو به دو روبروی هم قرار دارند و عملکرد پیستون ها به صورت رفت و برگشتی است. اما تفاوت در اینجاست که پیستون ها برخلاف موتورهای باکسر که در خلاف جهت هم حرکت می کنند، جهت حرکت مشابه دارند. موتورهای بورک دارای راندمان بالایی هستند، اما هیچ گاه فراگیر نشدند. موتورهای بورک در ابتدا به صورت دوزمانه طراحی شدند.

موتور دو زمانه

امروزه موتورهای دو زمانه تیراژ تولید بسیار اندکی دارند و فقط برای مصارف خاصی مثل برخی از موتورسیکلت های کراس، ادوات کشاورزی و دستگاه های این چنینی تولید و استفاده می شوند. موتورهای دوزمانه نیز طبق همان سیکل اتو کار می کنند و دارای همان چهار عمل اصلی هستند. با این تفاوت که سوپاپ ندارند و در واقع، ورود سوخت و هوا و خروج دود از سیلندر، بر اساس حرکت پیستون در موتور و عبور از جلوی مجاری ورود هوا و سوخت و خروج دود انجام می شود که این نحوه طراحی انگار کار باز و بستن این مجاری را انجام می دهد.

در موتورهای دو زمانه، با هر بار حرکت رفت و برگشتی پیستون در واقع شاهد دو عمل اصلی هستیم. به این معنی که وقتی پیستون در اثر انفجار و احتراق به سمت پایین حرکت می کند، از یک سمت هوا و سوخت را به داخل سیلندر مکش می کند و دود را از قسمت دیگر به کمک حرکت پیستون خارج می کند. وقتی پیستون به پایین برسد، دود تخلیه و سوخت وارد سیلندر شده است و حالا حرکت رو به بالای پیستون، دوباره مخلوط سوخت و هوا را متراکم می کند.

در موتورهای دو زمانه می بینیم که با دو بار حرکت بالا و پایین پیستون، شاهد یک چرخه کامل از احتراق و یک دور کامل از میل لنگ هستیم و این در حالی است که یک چرخه کامل احتراق در موتورهای چهارزمانه، با چهار بار حرکت پیستون یا دو دور حرکت میل لنگ انجام می شود. به همین دلیل شتاب و دورگیری موتورهای دو زمانه و همچنین میزان تولید قدرت و گشتاور آنها بالاتر از موتورهای چهارزمانه است. اما مصرف سوخت و آلایندگی بالای این موتورها که نتیجه سوختن روغن موتور و بنزین است، باعث شده که امروزه از آنها فقط برای مصارف خاصی استفاده شود.

موتور چهارزمانه

در موتورهای چهارزمانه، هرکدام از چهار عمل اصلی یعنی مکش، تراکم، انفجار و تخلیه در یک بار حرکت پیستون انجام می شود. با هر بار حرکت پیستون، میل لنگ نیم دور می زند که در نتیجه در یک عمل چهارگانه برای احتراق، شاهد دو بار چرخش میل لنگ خواهیم بود. با طراحی موتورهای چهارزمانه، بحث روغن موتور و روانکاری نیز تغییر کرد و بعدها باعث تغییراتی در روانکاری موتورهای دوزمانه را نیز شد.

موتور شش زمانه

موتورهای شش زمانه که به اندازه موتورهای دو زمانه و چهار زمانه رایج نیستند، در چندین طرح مفهومی ساخته شده اند و تولید انبوه آنها صورت نگرفته است. یکی از نمونه ها، تزریق آب به داخل موتور بعد از مرحله تخلیه دود است. به این صورت که بعد از این که انرژی سوخت آزاد شد و دود حاصل از انفجار نیز به بیرون فرستاده شد، مقداری آب به داخل سیلندر پاشش می شود. این آب با گرمای سیلندر به بخار تبدیل شده و در اثر افزایش حجم ناگهانی، پیستون را دوباره به سمت پایین پرتاب می کند. ضمن اینکه باعث خنک کاری موتور خودرو نیز می شود. در مرحله ششم هم بخار آب به سمت خنک کننده برای میعان دوباره و استفاده مجدد، فرستاده می شود.

نوع دیگری از موتورهای شش زمانه، شامل یک سیلندر با دو پیستون در مقابل هم است. این نوع موتور در واقع ترکیبی از سیکل کاری موتورهای دو زمانه و چهار زمانه است. مخلوط سوخت و هوا بین دو پیستون متراکم و باعث حرکت رفت و برگشتی آنها می شود. دود حاصل از احتراق نیز از یک سمت به بیرون فرستاده می شود.

اجزای موتور درون سوز

موتورهای درون سوز ممکن است بسته به نوع و طراحی که دارند، اجزا و قطعات متفاوتی داشته باشند. اما یک سری از این قطعات در همه آنها مشترک است.

انواع موتور درون سوز از دو بخش اصلی ساخته می شوند که شامل بلوک اصلی موتور و سرسیلندر است. در بلوک اصلی موتور خودرو قطعاتی مثل میل لنگ، شاتون ها، یاتاقان ها، پیستون ها، فلایویل، اویل پمپ و واترپمپ، پولی های مربوطه، سیلندرها و… قرار دارند.
در سرسیلندر نیز قطعاتی مثل میل سوپاپ، انگشتی ها، سوپاپ ها و… حضور دارند. ضمن اینکه کاسه احتراق نیز در موتورهای بنزینی در سرسیلندر قرار دارد و در برخی از موتورهای دیزل، قسمتی از پیستون نیز به عنوان کاسه احتراق عمل می کند.

انواع آرایش سیلندر موتورهای درون سوز

موتورهای درون سوز با آرایش های متفاوتی تولید می شوند که البته نسخه های خطی و V شکل آن بسیار رایج تر از انواع دیگر انواع است.

موتور خطی

در موتورهای خطی درون سوز، سیلندرها در یک امتداد قرار دارند. موتورهای خطی در قدیم در تعداد معدودی به صورت ۸ سیلندر نیز طراحی شده اند؛ اما سال هاست که نهایتا به صورت ۶ سیلندر طراحی می شوند و اگر تعداد سیلندرها بیشتر باشد، موتور خودرو را به صورت خورجینی طراحی می کنند.

موتور V (خورجینی)

در موتورهای خورجینی یا V شکل، سیلندرها با یک زاویه نسبت به هم قرار گرفته اند که این زاویه معمولا به صورت ۹۰ درجه یا ۶۰ درجه است. هرچند که در موتورهای خورجینی رایج تعداد سیلندرها زوج است؛ اما پیشرانه های خورجینی با تعداد سیلندر فرد نیز طراحی شده اند. همچنین در حالی که موتورهای V برای خودروهای سواری تا V12 طراحی می شوند، اما تا V32 نیز برای مصارف صنعتی و نیروگاهی نیز ساخته شده اند.

موتور VR

در موتورهای VR شاهد یک بلوک یک تکه با دو ردیف سیلندر چسبیده به هم هستیم. یعنی یک موتور خورجینی که فضایی بین دو بلوک آن وجود نداشته باشد. این موتورها معمولا برای نسخه های خاص و اسپرت و از سوی شرکت های کمی مثل فولکس واگن استفاده می شود.

موتور W

در موتورهای W شکل که معروف ترین آنها، موتور بوگاتی ویرون است، دو موتور VR با یک زاویه مثل موتورهای خورجینی به هم چسبیده اند. مثلا در موتور بوگاتی ویرون، دو موتور VR8 به صورت خورجینی به هم چسبیده اند. البته تعداد کمی از موتورهای W شکل در قدیم نیز با سه ردیف بلوک و دقیقا شبیه به حرف W طراحی شده اند. امروزه موتورهای W8 و W12 و W16 در خودروسازی ها استفاده می شوند.

موتور رادیال

موتورهای رادیال را در هواپیماهای قدیمی می توان دید. در این نوع موتور احتراق داخلی که به نام ستاره ای نیز نامیده می شوند، سیلندرها به صورت دایره ۳۶۰ درجه قرار گرفته اند و خروجی آنها در مرکز دایره یک میل لنگ اصلی را می چرخاند.

موتور باکسر

موتورهای باکسر، فلت، تخت یا خوابیده، گونه ای از موتورهای خورجینی هستند که دو بلوک سیلندر با هم زاویه ۱۸۰ درجه دارند و روبروی هم قرار گرفته اند. این موتورها بیشتر توسط پورشه و سوبارو مورد استفاده قرار می گیرد. پایین بودن نقطه ثقل در این موتورها به خاطر خوابیده بودن موتور، بزرگ ترین امتیاز آن است.

موتور بورک

در موتورهای بورک، سیلندرها روبروی هم و با زاویه ۱۸۰ درجه قرار دارند. اما برخلاف موتورهای باکسر، حرکت پیستون های روبروی هم به یک جهت است.

موتور دوک

در موتورهای دوک (Duke)، سیلندرها در کنار هم و روی محیط یک دایره قرار گرفته اند و حرکت رفت و برگشتی آنها با یک مکانیسم خاص، به حرکت گردشی میل لنگ منجر می شود.

انواع سیستم سوخت رسانی موتور درون سوز

سوخت رسانی در موتور ICE، اهمیت زیادی در کیفیت کارکرد و مقدار راندمان آن دارد. این سیستم از ابتدای معرفی موتورهای درون سوز تا امروز در چندین مرحله ارتقا پیدا کرده است و جدیدترین آنها به نام GDI است.

کاربراتور

در ابتدا، موتورهای درون سوز از کاربراتور تغذیه می شدند. هوایی که توسط سیلندرها مکش می شود، با عبور از دهانه کاربراتور مقداری سوخت نیز با خود به داخل سیلندر می برد.

انژکتور

بعدها با استفاده از نازل های انژکتور در موتورهای دیزل، این روش برای موتورهای بنزینی نیز مورد استفاده قرار گرفت. سوخت در انژکتورها به کمک یک پمپ پرقدرت و فشار بالا، به ذرات بسیار ریزی شبیه به پودر تبدیل می شود تا به شکل بهتری با هوا مخلوط شود. در نتیجه راندمان احتراق بالا می رود. انژکتورها در ابتدا به صورت مکانیکی بودند و سال هاست که به شکل الکتریکی تبدیل شده اند. همچنین در حالی که در ابتدا از یک یا دو نازل برای یک موتور استفاده می شد، از دهه ۹۰ میلادی برای هر سیلندر یک نازل سوخت در نظر گرفته شد.

انژکتور GDI

در روش تزریق مستقیم سوخت یا GDI، نازل انژکتور در داخل کاسه احتراق پاشش می کند و راندمان و بازده موتور را حداقل ۱۰ درصد افزایش می دهد.

نتیجه گیری

همان طور که دیدیم، موتور درون سوز انواع مختلفی از نظر آرایش و نحوه قرارگیری سیلندرها، سوخت مصرفی، سیکل کاری و… دارد. اما رایج ترین آنها در دنیای امروز، پیشرانه های دوزمانه و البته چهارزمانه با سوخت بنزین و گازوییل هستند و اکنون که با افزایش تولید خودروهای برقی به نظر می رسد به آخر عمر پیشرانه های درون سوز رسیده ایم، بعید است که مدل و شکل دیگری از پیشرانه های درون سوز بتواند روی کار بیاید تا مشکلات این نوع موتورها را کمتر کند و کمی به ماندگاری و عمر آنها بیفزاید. مهم ترین مشکل موتور احتراق داخلی در دنیای امروزی، بحث آلایندگی است و البته که دنیای خودرویی بدون حضور آنها، جذابیتی نخواهد داشت.

منبع : خودرو 45