موتورهای درونسوز1: قلب تپندهی ماشینهای امروزی
ماشین گرمایی چیست و موتور درونسوز چگونه کار میکند؟
یک ماشین گرمایی2 دستگاهی است که انرژی گرمایی را به کار مکانیکی تبدیل میکند. تصور کنید یک قوطی اسپری خالی را پر از آب کنید، آن را گرم کنید و درش را محکم ببندید. گرم شدن آب، بخار ایجاد میکند و فشار داخل قوطی بالا میرود. اگر در قوطی ناگهان باز شود، بخار با فشار خارج شده و میتواند قوطی را به حرکت درآورد. این یک نمونه ساده از تبدیل انرژی گرمایی به حرکت است.
موتور درونسوز نوع خاصی از ماشین گرمایی است که در آن سوخت (مانند بنزین یا گازوئیل) همراه با هوا داخل یک محفظه بسته به نام سیلندر میسوزد. احتراق سریع، گازهای داغی تولید میکند که منبسط میشوند و فشار بسیار زیادی ایجاد میکنند. این فشار، یک قطعه استوانهای به نام پیستون3 را به سمت پایین هل میدهد. حرکت رفت و برگشتی پیستون، از طریق یک میله اتصال (شاتون4) به یک میللنگ5 منتقل شده و به حرکت چرخشی تبدیل میشود. این حرکت چرخشی نهایتاً چرخهای خودرو را میچرخاند.
اجزای اصلی یک موتور چهارزمانه بنزینی
برای درک بهتر، اجازه دهید نگاهی به قسمتهای کلیدی یک موتور معمولی بیندازیم:
| نام قطعه | وظیفه | تشبیه ساده |
|---|---|---|
| سیلندر | محفظهای استوانهای که پیستون در آن حرکت کرده و احتراق در آن رخ میدهد. | اتاقک انفجار یک تفنگ اسباببازی |
| پیستون | قطعه استوانهای متحرک که با فشار گازها به پایین رانده میشود. | میلپیست پمپ دوچرخه |
| شمع6 | جرقهای تولید میکند تا مخلوط سوخت و هوا را در موتور بنزینی مشتعل کند. | فندک یا کبریت |
| سوپاپ7 (ورودی و خروجی) | درهای یکطرفهای که ورود مخلوط تازه و خروج دود را کنترل میکنند. | دریچههای یکطرفه قلب |
| میللنگ | حرکت خطی پیستونها را به حرکت چرخشی تبدیل میکند. | پدال دوچرخه که حرکت پا را به چرخش تبدیل میکند |
چرخه چهارزمانه اوتو: ضربان منظم موتور بنزینی
بیشتر خودروهای بنزینی از چرخه چهارزمانه معروف به چرخه اوتو8 پیروی میکنند. "چهارزمانه" به این معنی است که برای تولید یک قدرت (یک بار پایین رفتن مؤثر پیستون)، چهار مرحله مجزا اتفاق میافتد. این مراحل برای یک سیلندر به ترتیب زیر هستند:
۱. زمان مکش: سوپاپ ورودی باز است. پیستون به سمت پایین حرکت میکند و مخلوطی از بنزین و هوا را مانند یک سرنگ به داخل سیلندر میمکد.
۲. زمان تراکم: هر دو سوپاپ بسته هستند. پیستون به سمت بالا حرکت میکند و مخلوط سوخت و هوا را فشرده و گرم میکند. معادله حالت گازها این را توضیح میدهد: با کاهش حجم، فشار و دما افزایش مییابد ($P V = n R T$).
۳. زمان قدرت (احتراق): در نقطهای که پیستون به بالاترین موقعیت خود رسید (فشردهسازی کامل)، شمع جرقه میزند. مخلوط فشرده به سرعت میسوزد و منبسط میشود. این انبساط انفجاری، پیستون را با فشار بسیار زیاد به سمت پایین میراند. این تنها زمانیه که موتور قدرت تولید میکند و بقیه مراحل با انرژی ذخیره شده در فلایویل9 انجام میشوند.
۴. زمان تخلیه: سوپاپ خروجی باز میشود. پیستون دوباره به سمت بالا حرکت میکند و گازهای سوخته و داغ را از داخل سیلندر به بیرون هل میدهد تا از طریق اگزوز خارج شوند. سپس چرخه دوباره از زمان مکش آغاز میشود.
موتور دیزل چگونه و چطور متفاوت است؟
موتورهای دیزل نیز درونسوز و چهارزمانه هستند، اما یک تفاوت بزرگ دارند: در موتور دیزل هیچ شمعی وجود ندارد! به جای آن، هوا به تنهایی در مرحله تراکم آنقدر فشرده میشود که دمای آن بسیار بالا میرود (حدود 550 تا 800 درجه سانتیگراد). در پایان مرحله تراکم، سوخت گازوئیل با فشار بالا به داخل این هوای داغ پاشیده میشود. حرارت بالای هوا بلافاصله سوخت را بدون نیاز به جرقه مشتعل میکند. به این روش، احتراق با تراکم10 میگویند. به چرخه ایدهآل این موتورها، چرخه دیزل11 گفته میشود.
| ویژگی | موتور بنزینی (چرخه اوتو) | موتور دیزل (چرخه دیزل) |
|---|---|---|
| نسبت تراکم | پایینتر (حدود 8:1 تا 12:1) | بسیار بالا (حدود 14:1 تا 25:1) |
| روش احتراق | جرقه شمع | احتراق خودبخودی با تراکم |
| توان و گشتاور | توان بالا در دور موتور زیاد | گشتاور بالا در دور موتور کم |
| راندمان حرارتی | پایینتر (حدود 25% تا 30%) | بالاتر (حدود 35% تا 45%) |
| کاربرد معمول | خودروهای سواری، موتورسیکلت | کامیون، اتوبوس، کشتی، ژنراتور |
از نظریه تا عمل: موتور درونسوز در زندگی روزمره
این موتورها فقط در خودروها نیستند. آنها تقریباً در هر وسیلهای که نیاز به منبع قدرت مستقل و قدرتمند دارد، حضور دارند. موتورسیکلتها،لیفتراکها،قایقهای موتوری،ژنراتورهای برق اضطراری (موتور-ژنراتور)، کمپرسورهای قابل حمل و حتی برخی دمندههای برف از موتورهای کوچک درونسوز استفاده میکنند. در مقیاس بزرگتر، کشتیهای غولپیکر و لوکوموتیوهای دیزلی نیز توسط نسخههای بسیار بزرگ و قوی این موتورها به حرکت درمیآیند. نکته جالب در مورد ژنراتورها این است که آنها تبدیل نهایی انرژی شیمیایی سوخت به انرژی الکتریکی را تکمیل میکنند: سوخت → گرما → حرکت چرخشی (موتور) → برق (ژنراتور).
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: هر کدام مزایای خود را دارند. موتورهای بنزینی معمولاً ارزانتر، کمصداتر و برای شتاب سریع مناسبترند. موتورهای دیزل سوختکمکنتر (راندمان بالاتر)، گشتاور بیشتری برای حمل بارهای سنگین دارند و طول عمر بیشتری دارند. انتخاب به نیاز و کاربرد بستگی دارد.
پاسخ: خیر، به شدت ممنوع است. بنزین در موتور دیزل باعث عدم احتراق صحیح و آسیب شدید به سیستم پمپاژ و انژکتورها میشود. گازوئیل در موتور بنزینی به خوبی تبخیر نمیشود، شمع را کثیف میکند و ممکن است باعث کوبش12 و آسیب به موتور شود.
پاسخ: تنها حدود یکسوم از انرژی سوخت به کار مفید تبدیل میشود. یکسوم دیگر از طریق اگزوز خارج میشود و تقریباً یکسوم باقیمانده به صورت گرما توسط خود موتور جذب میشود. اگر این گرما دفع نشود، دمای قطعات از حد مجاز فراتر رفته و باعث ذوب شدن، گیر کردن و خرابی کامل میشود. سیستم خنککاری (شامل رادیاتور، پمپ آب و مایع خنککننده) این گرمای اضافی را از موتور میگیرد و در هوا پخش میکند.
پاورقی
1 درونسوز (Internal Combustion Engine - ICE): موتوری که احتراق سوخت درون محفظه بسته (سیلندر) انجام میشود.
2 ماشین گرمایی (Heat Engine).
3 پیستون (Piston).
4 شاتون (Connecting Rod).
5 میللنگ (Crankshaft).
6 شمع (Spark Plug).
7 سوپاپ (Valve).
8 چرخه اوتو (Otto Cycle): به نام نیکولاس اوتو، مهندس آلمانی.
9 فلایویل (Flywheel): چرخ طیاری که برای ذخیره انرژی دورانی و یکنواختکردن حرکت موتور استفاده میشود.
10 احتراق با تراکم (Compression Ignition).
11 چرخه دیزل (Diesel Cycle): به نام رودلف دیزل، مخترع آلمانی.
12 کوبش (Knocking): احتراق ناخواسته و زودرس مخلوط سوخت و هوا که باعث صدای تقه و آسیب به موتور میشود.
