در فیلم‌های سینمایی قدیمی می‌بینیم که بسیاری از قطارها و ترامواها از پیشرانه‌های بخار استفاده می‌کنند. مشکلات این پیشرانه‌ها زیاد بود؛ اما یکی از مهم‌ترین آنها، احتراق و سوخت‌وساز در بیرون از پیشرانه تا گرم‌شدن 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 سوخت‌وساز تا خروج نیرو به سمت چرخ‌ها در یک فضای بسته اتفاق افتد و به این ترتیب، جرقه‌های ساخت موتورهای درون‌سوز بنزینی و دیزلی زده شد. بیش از یک قرن است که موتور درون سوز برای حرکت وسایل نقلیه استفاده می‌شود 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 میل‌لنگ و خروج توان ایجادشده در یک فضای بسته به نام سیلندر اتفاق می‌افتد، موتور درون سوز یا پیشرانه احتراق داخلی یا Internal Combustion Engine که به اختصار ICE نام دارد، گفته می‌شود.
سوخت و هوا درون سیلندرها متراکم می‌شوند و این ترکیب با کمک یک جرقه در موتورهای بنزینی یا در اثر تراکم بالا در موتورهای دیزل، منفجر و انرژی آن آزاد می‌شود. از آنجایی که احتراق و سوخت‌وساز در فضای سیلندر که یک محیط بسته است رخ می‌دهد، به این پیشرانه‌ها، موتور احتراق داخلی یا درون‌سوز می‌گویند.
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 حرکت‌ها به سمت طراحی موتورهای درون‌سوز به شکل موتورهای امروزی را باید از اوایل قرن نوزدهم بدانیم، اما ایده‌هایی 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 همان‌طور که گفتیم باید قدم‌های اصلی برای رسیدن به موتورهای درون‌سوز 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 طرح‌ها 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 می‌دانند، 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.
نحوه عملکرد موتور درون سوز
عملکرد موتورهای درون‌سوز بر پایه آزادسازی انرژی نهفته در سوخت و تبدیل آن به حرکت دورانی و گردش میل‌لنگ است. اما عملکرد موتور درون‌سوز بر اساس نوع آن به چندین مدل مختلف طبقه‌بندی می‌شود.
- بر اساس حرکت رفت و برگشتی: موتورهای درون‌سوز 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 سوخت‌وساز پیوسته و دائم سوخت است.
انواع موتور درون سوز
هرچند که امروزه موتورهای ICE که در صنعت خودروسازی، موتورسیکلت، صنایع کشتی‌سازی، ادوات باغبانی و… استفاده می‌شوند، 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 می‌توان موتورهای احتراق داخلی را بر اساس شاخص‌ها و فاکتورهای متفاوتی دسته‌بندی کرد.
موتور درون سوز اتو
چرخه و سیکل کاری اتو، امروزه به عنوان سیکل کاری موتورهای احتراق داخلی استفاده می‌شود. در این چرخه گفته می‌شود 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 می‌شود تا مقداری از مخلوط سوخت و هوا به سیلندر بعدی فرستاده شود. به این ترتیب، مصرف سوخت کاهش پیدا می‌کند و به همین دلیل از این نوع موتور در خودروهای هیبریدی و کم‌مصرف استفاده می‌شود.
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 نمونه‌های بنزینی نیز پاک‌تر و با داشتن بازدهی بالا، از نظر اقتصادی و آلایندگی هم بسیار به‌صرفه هستند. موتورهای دیزل طبق سیکل دیزل کار می‌کنند. مراحل چهارگانه مکش، تراکم، انفجار و تخلیه در این موتورها مثل پیشرانه‌های بنزینی وجود دارد. با این تفاوت که خبری از شمع برای جرقه‌زنی و انفجار مخلوط بنزین و هوا نیست و مخلوط سوخت دیزل و هوا بر اثر تراکم بسیار بالای این مخلوط و داغ‌شدن آن، به‌طور خود به خود منفجر می‌شود. موتورهای دیزل، گشتاور بالاتری از نمونه‌های بنزینی دارند و به همین دلیل برای صنایع سنگین و خودروهای تجاری، مناسب‌تر هستند.
موتور درون سوز وانکل (دوار بدون پیستون)
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 بیضی‌شکل به عنوان سیلندر استفاده می‌شود و یک قطعه سه‌گوش دوار در این محفظه بیضی، دوران می‌کند. 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 تازه‌واردشده و دود مانده از انفجار قبلی با هم ترکیب می‌شوند، آلایندگی بالایی دارند و همچنین روانکاری آنها نیز سخت و پیچیده است. ضمن اینکه مقداری از روغن موتور نیز در حین احتراق می‌سوزد که باز هم باعث افزایش آلایندگی آن می‌شود. شرکت مزدا در سری خودروهای RX خود از این موتور استفاده می‌کرد.
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 پیستون‌ها به‌صورت رفت و برگشتی است. اما تفاوت در اینجاست که پیستون‌ها 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 موتورسیکلت‌های کراس، ادوات کشاورزی و دستگاه‌های این‌چنینی تولید و استفاده می‌شوند. موتورهای دوزمانه نیز طبق همان سیکل اتو کار می‌کنند 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 می‌شود که این نحوه طراحی انگار کار باز و بستن این مجاری را انجام می‌دهد.
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 می‌کند، از یک سمت هوا و سوخت را به داخل سیلندر مکش می‌کند و دود را از قسمت دیگر به کمک حرکت پیستون خارج می‌کند. 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 می‌کند.
در موتورهای دو زمانه می‌بینیم که با دو بار حرکت بالا و پایین پیستون، شاهد یک چرخه کامل از احتراق و یک دور کامل از میل‌لنگ هستیم و این در حالی است که یک چرخه کامل احتراق در موتورهای چهارزمانه، با چهار بار حرکت پیستون یا دو دور حرکت میل‌لنگ انجام می‌شود. 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 یک‌بار حرکت پیستون انجام می‌شود. با هر بار حرکت پیستون، میل‌لنگ نیم‌دور می‌زند که در نتیجه در یک عمل چهارگانه برای احتراق، شاهد دو بار چرخش میل‌لنگ 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 به‌اندازه موتورهای دو زمانه و چهار زمانه رایج نیستند، در چندین طرح مفهومی ساخته شده‌اند و تولید انبوه آنها صورت نگرفته است. یکی از نمونه‌ها، 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 می‌شود. این آب با گرمای سیلندر به بخار تبدیل شده و در اثر افزایش حجم ناگهانی، پیستون را دوباره به سمت پایین پرتاب می‌کند. ضمن اینکه باعث خنک‌کاری موتور خودرو نیز می‌شود. در مرحله ششم هم بخار آب به سمت خنک‌کننده برای میعان دوباره و استفاده مجدد، فرستاده می‌شود.
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 می‌شود. دود حاصل از احتراق نیز از یک سمت به بیرون فرستاده می‌شود.
اجزای موتور درون سوز
موتورهای درون‌سوز 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 می‌شوند که شامل بلوک اصلی موتور و سرسیلندر است. در بلوک اصلی موتور خودرو قطعاتی مثل میل‌لنگ، شاتون‌ها، یاتاقان‌ها، پیستون‌ها، فلایویل، اویل پمپ و واترپمپ، پولی‌های مربوطه، سیلندرها و… قرار دارند.
در سرسیلندر نیز قطعاتی مثل میل سوپاپ، انگشتی‌ها، سوپاپ‌ها 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 می‌کند.
انواع آرایش سیلندر موتورهای درون سوز
موتورهای درون سوز با آرایش‌های متفاوتی تولید می‌شوند که البته نسخه‌های خطی و V شکل آن بسیار رایج‌تر 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 شده‌اند؛ اما سال‌هاست که نهایتا به صورت ۶ سیلندر طراحی می‌شوند و اگر تعداد سیلندرها بیشتر باشد، موتور خودرو را به‌صورت خورجینی طراحی می‌کنند.
موتور V (خورجینی)
در موتورهای خورجینی یا V شکل، سیلندرها با یک زاویه نسبت به هم قرار گرفته‌اند که این زاویه معمولا به‌صورت ۹۰ درجه یا ۶۰ درجه است. هرچند که در موتورهای خورجینی رایج تعداد سیلندرها زوج است؛ اما پیشرانه‌های خورجینی با تعداد سیلندر فرد نیز طراحی شده‌اند. همچنین در حالی که موتورهای V برای خودروهای سواری تا V12 طراحی می‌شوند، اما تا V32 نیز برای مصارف صنعتی و نیروگاهی نیز ساخته شده‌اند.
موتور VR
در موتورهای VR شاهد یک بلوک یک‌تکه 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 نسخه‌های خاص و اسپرت و از سوی شرکت‌های کمی مثل فولکس واگن استفاده می‌شود.
موتور W
در موتورهای W شکل که معروف‌ترین آنها، موتور بوگاتی ویرون است، دو موتور VR با یک زاویه مثل موتورهای خورجینی به هم چسبیده‌اند. مثلا در موتور بوگاتی ویرون، دو موتور VR8 به صورت خورجینی به هم چسبیده‌اند. البته تعداد کمی از موتورهای W شکل در قدیم نیز با سه ردیف بلوک و دقیقا شبیه به حرف W طراحی شده‌اند. امروزه موتورهای W8 و W12 و W16 در خودروسازی‌ها استفاده می‌شوند.
موتور رادیال
موتورهای رادیال را در هواپیماهای قدیمی می‌توان دید. در این نوع موتور احتراق داخلی که به نام ستاره‌ای نیز نامیده می‌شوند، سیلندرها به‌صورت دایره ۳۶۰ درجه قرار گرفته‌اند و خروجی آنها در مرکز دایره یک میل‌لنگ اصلی را می‌چرخاند.
موتور باکسر
موتورهای باکسر، فلت، تخت یا خوابیده، گونه‌ای از موتورهای خورجینی هستند که دو بلوک سیلندر با هم زاویه ۱۸۰ درجه دارند و روبروی هم قرار گرفته‌اند. این موتورها بیشتر توسط پورشه و سوبارو مورد استفاده قرار می‌گیرد. پایین‌بودن نقطه ثقل در این موتورها به خاطر خوابیده بودن موتور، بزرگ‌ترین امتیاز آن است.
موتور بورک
در موتورهای بورک، سیلندرها روبروی هم و با زاویه ۱۸۰ درجه قرار دارند. اما برخلاف موتورهای باکسر، حرکت پیستون‌های روبروی هم به یک جهت است.
موتور دوک
در موتورهای دوک (Duke)، سیلندرها در کنار هم و روی محیط یک دایره قرار گرفته‌اند و حرکت رفت و برگشتی آنها با یک مکانیسم خاص، به حرکت گردشی میل‌لنگ منجر می‌شود.
انواع سیستم سوخت رسانی موتور درون سوز
سوخت‌رسانی در موتور ICE، اهمیت زیادی در کیفیت کارکرد و مقدار راندمان آن دارد. این سیستم از ابتدای معرفی موتورهای درون‌سوز تا امروز در چندین مرحله ارتقا پیدا کرده است و جدیدترین آنها به نام GDI است.
کاربراتور
در ابتدا، موتورهای درون‌سوز از کاربراتور تغذیه می‌شدند. هوایی که توسط سیلندرها مکش می‌شود، با عبور از دهانه کاربراتور مقداری سوخت نیز با خود به داخل سیلندر می‌برد.
انژکتور
بعدها با استفاده از نازل‌های 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 می‌شود تا به شکل بهتری با هوا مخلوط شود. در نتیجه راندمان احتراق بالا می‌رود. انژکتورها در ابتدا به صورت مکانیکی بودند و سال‌هاست که به شکل الکتریکی تبدیل شده‌اند. همچنین در حالی که در ابتدا از یک یا دو نازل برای یک موتور استفاده می‌شد، 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 می‌کند و راندمان و بازده موتور را حداقل ۱۰ درصد افزایش می‌دهد.
نتیجه گیری
همان‌طور که دیدیم، موتور درون سوز انواع مختلفی از نظر آرایش و نحوه قرارگیری سیلندرها، سوخت مصرفی، سیکل کاری و… دارد. اما رایج‌ترین آنها در دنیای امروز، پیشرانه‌های دوزمانه و البته چهارزمانه با سوخت بنزین و گازوییل هستند و اکنون که با افزایش تولید خودروهای برقی به نظر می‌رسد به آخر عمر پیشرانه‌های درون‌سوز رسیده‌ایم، بعید است که مدل و شکل دیگری از پیشرانه‌های درون‌سوز بتواند روی کار بیاید تا مشکلات این نوع موتورها را کمتر کند و کمی به ماندگاری و عمر آنها بیفزاید. مهم‌ترین مشکل موتور احتراق داخلی در دنیای امروزی، بحث آلایندگی است و البته که دنیای خودرویی بدون حضور آنها، جذابیتی نخواهد داشت.
سوال های متداول
وظیفه پیشرانه احتراق داخلی چیست؟
پیشرانه‌ها وظیفه تولید توان برای به کار انداختن دستگاه‌ها را دارند. سوخت و هوا در پیشرانه احتراق داخلی با هم مخلوط و بعد از انفجار، انرژی نهفته آنها آزاد می‌شود که در نهایت دستگاه‌ها و ادوات مختلفی از جمله خودرو و موتورسیکلت را به کار می‌اندازد.
جایگزینی کاربراتور با انژکتور چه تاثیری بر روی موتور احتراق داخلی دارد؟
در موتورهای احتراق داخلی هرچه تنفس موتور و تزریق سوخت به نحو بهتر و دقیق‌تری انجام شود، بازده و توان تولیدی موتور بهتر می‌شود. به همین دلیل وقتی بنزین از حالت مایع در پیشرانه‌های کاربراتوری به شکل پودر در موتورهای انژکتوری تبدیل می‌شود، اختلاط سوخت و هوا در سیلندر به شکل بهتری انجام می‌شود و در نتیجه احتراق نیز کامل‌تر است.
نقش توربو شارژر در موتورهای احتراق داخلی چیست؟
کار پرخوران‌ها شامل سوپرشارژر و توربوشارژر، افزایش تراکم هوای ورودی به موتور و در نتیجه افزایش تعداد مولکول‌های اکسیژن است. این اتفاق باعث افزایش بهسوزی سوخت می‌شود و در نتیجه قدرت آزادشده نیز بالاتر می‌رود و راندمان موتور خودرو افزایش پیدا می‌کند.
نویسنده: علیرضا داودی
