بررسی شناخت موتورهای احتراق داخلی و قوانین فیزیک در آنها - در 420 صفحه-docx

جزئیات و دریافت

موتور و انواع آن
موتور:
موتورها دستگاه‌هایی هستند که انرژی را برای بکار انداختن وسایل نقلیه، دستگاه‌های دیگر یا تولید الکتریسیته، به کار مکانیکی تبدیل می‌کنند.

انواع اصلی موتورها عبارتند از:موتور بخار، بنزینی، دیزل، الکتریکی، جت و موشک. در هر یک از این موتورها انرژی از سوختهایی چون زغال سنگ، بنزین و گازوئیل بدست می‌آید. همه موتورها، موتورهای درون سوز هستند. به این معنا که سوخت درون موتور می‌سوزد. موتور بخار، تنها موتور برون سوز است.

نخستین موتورهای بخار:
در قرن هجدهم میلادی، بیشتر نیروی صنایع مربوط به انقلاب صنعتی، از موتورهای بخار بدست می‌آمد. در سال ۱۷۱۲، یک انگلیسی بنام تامس نیو کامن، نخستین موتور بخار کار آمد را برای تلمبه زدن آب به بیرون از معادن زغال سنگ را اختراع کرد. در سال ۱۷۶۵، یک مهندس اسکاتلندی بنام جیمز وات، موتور بخار نیوکامن را کاملتر کرد و دستگاهی با کارایی بیشتر ساخت. چیزی نگذشت که موتورهای بخار را برای فراهم آوردن نیروی ماشین آلات کارخانه‌ها بکار گرفتند. پس از آن نیز برای لوکوموتیوها، از جمله لوکوموتیو راکت، استفاده کردند. این لوکوموتیو را جورج استیونسون، مهندس انگلیسی، در سال ۱۸۲۹ میلادی ساخت.

موتور از دیدگاه علم برق
موتور الکتریکی
در دنیای برق موتور وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل می‌کند. با توجه به نوع انرژی الکتریکی مورد استفاده در موتور، موتورها به دسته‌های:
1- موتورهای AC یا جریان متناوب
2- موتورهای DC یا جریان مستقیم
تقسیم بندی می‌شوند که البته هر کدام از این دو نوع، خود به دسته‌های جزیی تری تقسیم بندی می‌شوند. تمام موتورهای الکتریکی از ۲ قسمت کلی استاتور و روتور تشکیل شده‌اند.

موتورهای درون‌سوز: 
      موتورهای درون‌سوز یا موتورهای احتراق داخلی به موتور‌هایی گفته می‌شود که در آن‌ها مخلوط سوخت و اکسید کننده (معمولاً هوا یا اکسیژن) در داخل محفظهٔ بسته‌ای واکنش داده و محترق می‌شوند. بر اثر احتراق گازهای داغ با دما و فشار بالا حاصل می‌شوند و بر اثر انبساط این گازها قطعات متحرک موتور به حرکت درآمده و کار انجام می‌دهند. هرچند غالباً منظور از به‌ کار بردن اصطلاح موتورهای درون‌سوز، موتورهای معمول در خودروها می‌باشند، با این حال موتورهای موشک و انواع موتورهای جت نیز مشمول تعریف موتورهای درون‌سوز می‌شوند.

موتور درون‌سوز، یک وسیلهٔ گردنده‌ است که در خودروها، هواگردها، قایق موتوری، موتورسیکلتها و صنایع کاربرد دارد. بدون بهره‌گیری از موتورهای درون‌سوز، اختراع و ساخت هواپیماها ممکن نبود. تا پیش از پرواز نخستین هواپیمای جت در سال ۱۹۳۹، نیروی محرکه تمام هواپیماها در واقع توسط موتورهای درون‌سوز تأمین می‌شد.

نخستین موتور درون‌سوز چهارزمانه توسط نیکلاس اوگوست اوتو[1] و مخترع آلمانی ویلیام وگنر در سال ۱۸۷۶ ساخته‌ شد.

نیکلاس اوگوست اوتو
انواع موتورهای درون‌سوز:
موتور درون سوز اتو
     این موتورها را به دو دسته کلی موتور چهارزمانه و موتورهای دو زمانه می‌توان تقسیم کرد. اصول کاری این موتورها مشابه ‌است. لیکن نحوه عمل آنها به علت تفاوت‌های ساختاری اندکی متفاوت است. البته ازنوع امروزی تر باید به چهار زمانه اشاره کرد که حتی تاثیر کمتری بر روی الودگی هوا دارد.

موتور چهارزمانه:
      این موتورها برای هر انفجار (مرحلهٔ تبدیل انرژی سوخت به انرژی مکانیکی) بایستی چهار مرحلهٔ مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را انجام دهند.

موتورهای دوزمانه:
      این موتورها در هر دور چرخش دارای یک انفجار هستند. این کار با ترکیب کردن مراحل انفجار و دم و بازدم به‌ عنوان یک مرحله و ترکیب تخلیه و تراکم به‌عنوان مرحلهٔ بعدی صورت می‌گیرد. راندمان موتورهای دو زمانه به مراتب از موتورهای چهارزمانه بیشتر است.

موتور درون سوز دیزل:
     موتور دیزل گونه‌ای موتور درون‌سوز است که در آن از چرخه دیزل برای ایجاد حرکت استفاده می‌شود. فرق اصلی آن با موتور اتو ایجاد احتراق در اثر تراکم است. یعنی انفجار بر اثر تراکم سوخت و هوا بدون نیاز به جرقه زنی می­باشد(سیستم احتراق داخلی دیزل(.

موتور دو زمانه:
     موتور درون سوزی که 2 فرایند اصلی دارد.

مکش سوخت + انفجار یا احتراق سوخت.
تراکم سوخت+ خروج دود
موتور چهار زمانه:

موتور درون سوزی با چهار فرایند اصلی 1-مکش سوخت 2- تراکم 3-احتراق و 4- خروج دود است.

موتور شش زمانه:
      موتور درون سوزی بر اساس موتور چهار زمانه با افزایش فرآیند و کارکرد نسبت به آن و با ۶ عمل در چرخه فرایند­ می باشد.

موتورهای دوار بدون پیستون:
     به موتورهایی که پیستون ندارند و بجای آن روتور دارند که بصورت دورانی حرکت می کند اطلاق می شود. مانند موتور وانکل و موتور شبه توربین. این نوع موتور ها در پهپاد هایی استفاده میشود که در منطقه ای وسیع به شعاع km 300 تا km 500 مورد نیاز باشد استفاده می شود.

موتور شبه توربین:
      موتور شبه توربین خیلی شبیه موتور دورانی است، یک روتور درون بدنه ی تقریباً بیضی شکل می چرخد. موتور شبه توربین روتور چهار جزیی دارد. گوشه های روتور با بدنه به خوبی آب بندی شده اند و نیز گوشه های روتور نسبت به بخش داخلی آب بندی اند. در نتیجه چهار محفظه ی مجزا تشکیل می شود.

موتور درون سوز وانکل:
      موتور دورانی که مخترع آن دکتر فلیکس وانکل بود، گاهی موتور وانکل یا موتور دورانی وانکل نامیده می شود. اجزائ اصلی آن روتور، محفظه روتور، محور خروجی، شمع جرقه زنی، قطعات آبندی می باشد. در موتور وانکل مانند موتور های بنزینی چهار زمانه مخلوط هوا و بنزین وارد محفظه ی بزرگی از موتور می شود سپس با کوچک شدن حجم آن مخلوط هوا و بنزین تحت فشار قرار گرفته و با ایجاد جرقه به وسیله شمع انفجار حاصل می شود، مولکول های گاز دراثر احتراق منبسط می گردند و فشار محفظه ی تراکم به شدّت بالا می رود و نیروی حاصل از آن به روتور اعمال شده و به علّت اختلاف مرکز دوران بین روتورومیل لنگ نیروی چرخشی درروتور ایجاد می گردد.این نیروی چرخشی به بادامک محور لنگ که در داخل روتور قرار دارد، وارد شده و به فلایویل و سیستم انتقال قدرت می رسد.

موتورهای احتراق پیوسته:
     به موتور هایی که عمل احتراق به صورت منظم و پیوسته انجام میشود مانند موتورهای راکت و انواع موتور جت و توربین گازی اطلاق می شود.

موتورهای احتراق ناپیوسته:
     به موتور هایی گفته میشود که عمل احتراق در آنها به صورت متناوب انجام می شود مانند موتور های پیستونی و پالس جت و موتور وانکل.

چرخه اتکینسون:
در علم ترمودینامیک و در بحث چرخه‌های ترمودینامیکی، موتور چرخهٔ اتکینسون[2] یک نوع موتور درون‌سوز می‌باشد که توسط جیمز اتکینسون در سال ۱۸۸۲ میلادی ابداع شد. چرخهٔ اتکینسون برای فراهم کردن ماکزیمم چگالی توان به ازای هزینهٔ خرج شده، طراحی می‌شود و امروزه در برخی از خودروهای برقی دو گانه(همچون تویوتا پریوس) کاربرد دارد.

جیمز اتکینسون
چرخهٔ ایده‌آل ترمودینامیکی:
منحنی فشار - حجم چرخهٔ ایده‌آل اتکینسون
[1] نيكلاس اوگوست اوتو، مخترع آلماني بود كه در سال 1876 اولين موتور درون‌سوز چهارزمانه را ساخت كه الگو و مدلي شد براي صدها ميليون موتور مشابه كه از آن زمان تا كنون ساخته شده است. موتور درون‌سوز يك وسيله گردنده است كه در قايق موتوري و موتورسيكلت‌ها كاربرد دارد. علاوه بر موارد استعمال فراوان آن در صنعت، اختراع هواپيما بدون استفاده از آن غير ممكن بود. تا قبل از پرواز اولين هواپيماي جت در سال 1939، نيروي محركه تمام هواپيماها در واقع توسط موتورهاي درون‌سوز كه چرخه‌كار آنها بر مدار اوتو بودف تأمين مي‌شد. امّا مهمترين مورد كاربرد موتورهاي درون‌سوز استفاده ازآنان در اتومبيل‌ها است. قبل از آنكه اوتو موتور خود را اختراع كند براي ساخت اتومبيل تلاش‌هاي فراوان و عديده‌اي شده بود. برخي مخترعين نظير زيگفريد ماركوس (در سال 1875) اتين لنور (در سال 1862) و نيكلاژوزف كنوت (در سال 1769) موفق به ساخت مدل‌هايي شدند كه حركت مي‌كرد. اما به علت نبودن موتور مناسب، موتوري كه هر دو مزيت وزن كم و قدرت زياد را با هم داشته باشد هيچ كدام از آن مدل‌ها در عمل قابل استفاده نبود. ولي در خلال پانزده سال پس از اختراع موتور چهار زمانه اوتو، دو مخترع آلماني ديگر، كارل بنز و گوتلمب دايملر، هر يك اتومبيل‌هايي قابل استفاده و قابل فروش ساختند...

[2] جیمز اتکینسون : James Atkinson (physicist ۱۷ فوریه ۱۹۱۶ – ۹ مه ۲۰۰۸) یک فیزیک آزمایشگاهی اهل بریتانیا بود.

کاربرد خودروها در زندگی امروزه بشر بسیار متنوع و بسیار گسترده‌است بطوری که اگر خودروها را از زندگی روزمره حذف کنیم شاید تمدن بشری دیگر به شکل کنونی وجود نداشته باشد. عمده فعالیت خودروها در زمینه‌های زیر است:

ترابری:
واژه ترابری خود گویای فعالیت انجام شده توسط خودروها است. چرا که قسمت اعظم مواد و اشیاء انسان‌ها نیز خود بخش وسیعی از حمل و نقل را شامل می‌شود.

تولید توان کششی:
کاربرد دیگر خودروها در تولید توان کششی است که در بخش‌هایی مثل کشاورزی و یا صنعت و یا خدمات مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کاربرد می‌تواند در قالب یک تراکتور کشاورزی یا یک لیفت‌تراک و یدک‌کش و یا یک ماشین راهسازی جلوه گر شود.

کورس تراکم
در این مرحله با شروع حرکت میل لنگ، پیستون به سمت شمع بر می گردد . موقعی که مخلوط هوا و سوخت توسط پیستون فشرده می شود خلائی در کارتر ایجاد می شود . این خلاء باعث باز شدن سوپاپ ماسوره ای (reed valve ) ومکش مخلوط هوا ،روغن و سوخت از کاربراتور می شود.
وقتی که پیستون به سمت بالا می آید مرحله تراک پایان می یابد و شمع دوباره جرقه می زند تا این چرخه تکرار شود . دلیل نامگذاری موتور های دوزمانه این است که یک مرحله تراکم و سپس یک مرحله احتراق داریم . اما در موتور های چهار زمانه مراحل مکش، تراکم، احتراق و تخلیه جدا از هم انجام می شود .

شما می توانید ببینید که پیستون دو چیز مختلف رار در موتورهای دوزمانه انجام می دهد :

 در یک سوی پیستون که محفظه احتراق قرار دارد ، جایی است که پیستون مخلوط هوا و سوخت را متراکم می کند و انرژی آزاد شده از احتراق سوخت را ذخیره می کند.

 در سوی دیگر پیستون کارتر قرار دارد یعنی جاییکه در آن خلاء ایجاد می شود تا مخلوط سوخت و هوا را، از کاربراتور توسط سوپاپ ماسوره ای بکشد . و سپس در داخل کارتر متراکم تا اینکه مخلوط سوخت و هوا در داخل محفظه احتراق متراکم شود .

 ضمنا دو سمت پیستون شبیه به سوپاپ عمل می کند ، یعنی دریچه های مکش و تخلیه را باز و بسته می کنند .
بسیار جالب است که می بینیم پیستون کارهای مختلفی را انجام می دهد ! اینست که چرا موتورهای دو زمانه ساده و سبکتر هستند .

اگر شما از موتور های دو زمانه استفاده کرده باشید شما می دانید که باید روغن موتور های دو زمانه را با بنزین مخلوط کنید . محفظه احتراق در یک موتور چهار زمانه ، به طور کاملا جداگانه از کارتر است . بنابراین شما می توانید کارتر را با روغن غلیظ برای روان کاری یاتاقان میل لنگ، یاتاقان انتهای دیگر شاتون (پیستون) و دیواره سیلندر پرکنید . در یک موتور دوزمانه ، در سمت دیگر، کارتر قرار دارد که به عنوان محفظه ای تحت فشار برای متراکم کردن مخلوط هوا و سوخت در داخل سیلندر، نصب شده است، بنابراین نمی توان از روغن غلیظ استفاده کرد . در عوض شما می توانید از مخلوط روغن و بنزین برای روانکاری میل لنگ، شاتون و دیواره سیلندر استفاده کنید . بنابراین اگر شما مخلوط کردن روغن را فراموش کنید موتور نمی تواند عمر زیادی داشته باشد .

معایب موتور های دو زمانه
شما می توانید دو مزایای مهم موتورهای دو زمانه را نسبت به موتور های چهار زمانه ببینید: آنها ساده تر و سبکتر و حدود دو برار بیشتر قدرت تولید می کنند. بنابراین چرا خودرو ها و کامیونها از موتور های چهار زمانه استفاده می کنند؟ به چهار دلیل مهم زیر :

 موتور های دو زمانه تقریبا به اندازه موتورهای چهار زمانه عمر نمی کنند. (فقدان سیستم روغن کاری اختصاصی دلیل سایش بیشتر قسمتهای موتور های دو زمانه می باشد .)

 روغن موتورهای دو زمانه گران است، و شما به 4 انس روغن در هر گالن بنزین نیاز دارید. اگر شما از یک موتور دو زمانه در یک خودرو استفاده کنید آن یک گالن روغن در هر 1000 مایل می سوازند .

 موتور های دو زمانه به طور پر بازده از سوخت استفاده نمی کنند، بنابراین برای پیمودن هر چند مایل یک گالن سوخت نیاز است .

 موتور های دو زمانه به اندازه ای آلودگی ایجاد می کنند که در فواصل دور نمی توان آنها را دید .
آاودگی که در موتور های دو زمانه تولید می شود از دو منبع است که اولی از احتراق روغن است.احتراق روغن باعث می شود که همه موتور های دوزمانه به اندازه قابل ملاحظه ای دود تولید کنند و متاسفانه موتور های دو زمانه به دلیل سایش قطعات توده های عظیمی از دوده های روغنی در هوا تولید می کنند. دلیل دوم کمتر آشکار است اما در شکل زیر می توانیم ببینیم :
  

 هر بار که شارژ جدیدی از مخلوط بنزین و هوا وارد محفظه احتراق می شود، قسمتی از آن از دریچه تخلیه به بیرون نشت می کند . این است دلیل این که در اطراف موتور دو زمانه قایق ها، درخشش روغن را می بینیم . نشت هیدروکربن از سوخت تازه و ترکیب آن با روغن نشتی، حقیقتا یک آلودگی برای محیط زیست می باشد.

 این معایب باعث شده است که موتور های دو زمانه تنها در جاهایی استفاده شوند که موتور به طور دائم کار نکند . و نسبت قدرت به وزن بزرگ مهم باشد .

ضمنا بیشتر کارخانه ها روی ساخت موتورهای چهار زمانه ، سبک و کم حجم کار می کنند و شما می توانید این تحقیقات را در انواع موتورهای چمن زنی و ناوگان های دریایی جدید که در بازار وجود دارد ببینید .
ولوو (Drive-E)، پیشرفتی تازه در عرصه پیشرانه های احتراق داخلی

1 نظر, 1392/06/02, در اسلایدر, فناوری
سهیل زنگنه: ولوو از برنامه اش برای تولید سری موتورهای جدیدی به نام Drive-E خبر داده است. این موتورهای خطی در پاییز سال جاری در اروپا در دسترس خواهد بود.
 
سری Drive-E شامل دو نوع موتور چهار سیلند خواهد بود. نوع اول دیزلی به شکل Common-rail diesel و دیگری بنزینی با سیستم تزریق مستقیم بنزین می باشد. خروجی خانواده دیزلی متفاوت است و در بازه 120 اسب بخار تا 230 اسب قرار دارد. قدرت موتورهای بنزینی از 140 اسب بخار شروع میشود و به بیش از 300 اسب بخار ختم میشود.
 
مدل های S60 ، V60 و XC60 اولین گونه هایی خواهند بود که از این پیشرانه های تازه نیرو می گیرند، نمونه بنزینی توربو T6 با 306 اسب بخار، T5 با 245 اسب بخار و گونه توربو دیزل D4 با 181 اسب بخار از اولین نمونه های تولیدی نسل تازه پیشرانه های ولوو خواهند بود.
                
مکش سوخت
سرانجام که پیستون به ته می رسد ، دریچه مکش باز می شود . با حرکت پیستون مخلوط در داخل کارتر فشرده می شود ، بنابراین آن (مخلوط سوخت و هوا) به سرعت وارد سیلندر شده ، و گازهای باقیمانده را خارج کرده و سیلندر با شارژ جدیدی از سوخت پر می شود ، همانطور که در شکل زیر می بینید :