بررسی انواع موتور های احتراق داخلی

خلاصه:
از میان موتورهای احتراق داخلی موتورهای وانکل که حدودا ۵۰ سال پیش به این مجموعه اضافه شدند، دارای ویژگیهای قابل توجهی نسبت به سایر بودند. این موتورها که بعضا با نامهای Rotary(دورانی) خوانده می شوند، در سالهای اولیه تولد خود با مشکلاتی روبرو بودند که با پیشرفت علم این مشکلات را نیز از سر راه خود برداشتند. این موتورها به علت استقبال کم در سطح پایین تری تولید میشوند به خاطر همین هزینه های تولیدی آن بیشتر شده و کمتر مورد توجه شرکتهای سازنده قرار می گیرد. ولی امید است با توجه به کارایی های بسیار خوب این موتور در آینده ای نزدیک شاهد رشد استفاده از این موتور و برطرف کردن عیوب آن باشیم، هم اکنون تعدادی از کمپانی های بزرگ دنیا بر روی این موتور سرمایه گذاری کرده و آن را در محصولات خود مورد استفاده قرار می دهند. حال در این مقاله برآنیم مطالبی هر چند اندک اعم از طرز کار، قطعات، مزایا و معایب و مقایسه با موتورهای خطی این نوع موتورها را بیان کنیم.

محسن ملایجردی
زمستان ۸۷

بررسی و معرفی انواع موتورهای احتراق داخل:
موتور دیزل:
موتور دیزل توسط رادولف دیزل طراحی و به اصطلاح اختراع شد. در موتورهای بنزینی بنزین قبل از ورود به سیلندر با هوا مخلوط شده و سپس تا اندازه ای که به خودسوزی نیفتد تحت فشار قرار میگیرید و با جرقه شمع مشتعل میشود اما در موتور های دیزل فقط هوا تحت فشار قرار گرفته و زمانی که دمای هوای متراکم شده به حد قابل قبولی برسد مخلوط سوخت به آن اضافه میشود و احتراق به صورت خود به خود انجام میشود.

یکی از مشکلات موتور های دیزل سوخت مایع و نحوه تزریق آن بود ، چون در موتور های دیزل از گرمایی که توسط هوای متراکم شده برای اشتعال استفاده شده است ، پس سوخت باید در زمان مناسب و با غلظت مناسب تزریق شود ،که حدودا تا سال ۱۹۲۲ این مشکل پا برجا بود (موتور دیزل در سال ۱۸۹۳ اختراع شد). در سال ۱۹۲۳ رابرت بوش با ساخت انژکتورهایی برای موتور دیزل توانست مشکل موتور های دیزل را حل کرده و بازدهی این موتور ها رو بالا ببرد.
موتور های دیزل به خاطر دارا بودن نسبت تراکم بالا و نداشتن مانعی در مقابل جریان هوای ورودی به موتور، دارای بازده حرارتی و حجمی بالاتری نسبت موتورهای اشتعال- جرقه ای هستند و در نتیجه مصرف سوخت پایین و آلایندگی کمتری دارند.

موتور های چهار زمانه:
۱-کورس مکش:
با حرکت پیستون از نقطه مرگ بالا به طرف پایین و به دلیل آب بندی بودن پیستون و سرسیلندر حجم بالای پیستون به صورت ناگهانی افزایش یافته که با باز شدن سوپاپ سوخت مخلوط سوخت وارد سیلندر شده و این فضای خالی را پر می کند.
۲-کورس تراکم:
پس از کورس مکش کورس تراکم اغاز شده و پیستون از نقطه مرگ پایین به طرف بالا حرکت میکند. که در این حالت مخلوط سوخت (که به صورت گاز هست) متراکم میشود. این مخلوط به گونه ای متراکم میشود که حجم آن به یک هشتم تا یک دوازدهم حجم اولیه میرسد. و فشار درون سیلندر در پایان زمان تراکم و هنگام زمان جرقه به ۸ تا ۱۶ اتمسفر میرسد. میزان تراکم مخلوط هوا و سوخت را نسبت تراکم می گویند.
۳-کورس قدرت(انجام کار):
در این مرحله مخلوط سوخت مشتعل شده( توسط شمع تعبیه شده در بالا سر سیلندر) باعث میشود که پیستون رو به پایین حرکت کند و مرحله کار به وجود بیاید. که در این مرحله هر دو سوپاپ (در ماشین های جدید و نیاز به قدرت زیاد عدد سوپاپ ها میتواند بیشتر باشد که هم به صورت زوج هست و هم به صورت فرد) بسته میباشند. اما قبل از رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین سوپاپ دود باز شده و با بالا آمدن مجدد پیستون گازهای حاصل از احتراق از محفظه سیلندر خارج میشوند.
۴-کورس تخلیه:

در این مرحله با خارج شدن گاز های حاصل از احتراق یک دوره یا سیکل موتور به طور کامل انجام میشود. لازم به ذکر است که سیکل معادل چرخش ۷۲۰ درجه ای میل لنگ است که شامل دو دور رفت و دو دور برگشت پیستون هم میشود.(در مجموع ۴ دور)که در هر دور میل لنگ ۱۸۰ درجه میچرخد.

موتورهای دو زمانه:
موتور های دو زمانه گونه ای از موتورها هستند که هر سیکل آنها در دو کورس پیستون تکمیل میشود. بنابراین موتور های دو زمانه نسبت به موتور های چهار زمانه در یک دقیقه دو برابر سیکل دارن و اگر هردو این موتور ها در یک شرایط کاری مساوی کار کنند موتور چهار زمانه ۲ برابر قدرت بیشتر تولید میکند. در موتور های ۴ زمانه ما فقط یک مرحله کار داریم که این کار تولید شده علاوه بر حرکت دادن خودرو باید قسمتی از نیروی بدست آمده را صرف به حرکت درآوردن دیگر قسمت های موتور، برای تکرار سه مرحله قبلی کند که کلا” بازدهی این موتورها را پایین می آورد و در ۴ مرحله یک مرحله دارای گشتاور مثبت و بقیه مراحل دارای گشتاور منفی هستند. و دیگر عیب آنها نیاز به وجود استفاده از یک فلایویل بزرگ برای ذخیره نیروی کورس کار و باز پس دادن آن در سه مرحله دیگر است. اما در موتور های دو زمانه با حرکت کردن پیستون به طرف بالا گاز ورودی متراکم شده و با زدن جرقه به طرف پایین حرکت میکند. در این زمان کار انجام شده ، که با پایین آمدن آن همزمان هم گازهای حاصل از احتراق خارج شده و هم مخلوط سوخت که در زیر پیستون هست (به اصطلاح کارتل ) متراکم میشود.

از معایب این گونه موتور ها میشود به موارد زیر اشاره کرد. :
۱-در کورس اول مقداری از توان موتور صرف عمل پیش تراکم میشود که با استفاده از توربو شارژر این عیب را میتوان برطرف کرد.
۲-خارج شدن مخلوط ورودی از دریچه خروجی سیلندر باعث هدر رفتن سوخت می شود.
۳-گازهای حاصل از احتراق به طور کامل تخلیه نمی شوند.
۴-به دلیل پشت سر هم بودن مراحل امکان خنک کردن قطعاتی از موتور که توسط هوا خنک می شوند وجود ندارد و باعث تشدید اصطکاک می شود.
برخی از مزایای این موتورها عبارتند از:

۱- به دلیل وجود فاصله زمانی کوتاه بین کورسهای قدرت گشتاور زیادی تولید شده و موتور کاردکرد آرام تری دارد.
۲- در موتور های کوچک دو زمانه معمولا از سیستم سوپاپ استفاده نمی کنند که باعث کاهش هزینه های ساخت و همچنین کاهش اصطکاک بین قطعات متحرک می شود.
۳- به علت سبک بودن وزن موتور و بالاتر بودن قدرت تولیدی موتور از توان وزنی بیشتری نسبت به موتور های ۴ زمانه برخوردار هست.
لازم به ذکر است که موتور دو زمانه در تصویر بالا مجهز به پمپ خارجی است ، که محل آن در تصویر سمت چپ موتور و درست روبروی منیوفیلد ورودی قرار دارد.

موتور های وانکل:(Winkel engine)
تاریخچه موتور :
موتورهای (( پیستون روتوری))که به موتورهای وانکل(دورانی) معروف هستند برای اولين بار توسط مخترع آلمانی فليکس وانکل( Felix Wankel ) در سال ۱۹۵۷ م. طراحی و ساخته شده ودر سال ۱۹۶۴ م. اولين نمونه اين نوع موتور به تولید انبوه رسید ، که از آن زمان تا کنون این موتور دوزمانه ، تحت پژوهش و تکامل قرار گرفته است.

باتوجه به جدید بودن موتور وانکل پیشرفت نسبی مناسبی در آن بوجود آمده است. زیرا موتورهای پیستونی که از اختراع آن حدود۱۳۰سال می گذرد در سالهای اخیر تکامل نسبی پیدا کرده اند. اولین موتور پیستونی احتراق داخلی درسال ۱۸۷۸ م . بوسیله دکتر نیکلاس اتو ، مطرح گردید ولی موتور وانکل مربوط به ۵۰ سال اخیر است.

طرز کار موتور :
اساس كار موتور وانكل مانند ساير موتورهاي احتراق داخلي است ، با این تفاوت که در موتورهای پيستونی متداول يک حجم يکسان و مشخص (حجم سيلندر) بصورت پی در پی تحت تأثير چهار فرآيند مکش ، تراکم ، احتراق و تخليه قرار مي گيرد درصورتی که در موتورهای دورانی هر کدام از اين چهار فرآيند در نواحی خاصی از محفظه سيلندر که تنها متعلق به همان فرآيند می باشد صورت می گيرد. این موتور ها از دو الی سه روتور که در محفظه های بیضوی میچرخند تشکیل شده اند و چون این محفظه ها در داخل موتورند به(( اشتعال دورانی )) معروف هستند.

موتورهای دورانی مانند موتورهای پيستونی از انرژی فشار ايجاد شده بواسطه احتراق مخلوط سوخت و هوا استفاده می کنند، در موتورهای پيستونی فشار ناشی از احتراق به پيستونها نيرو وارد و شاتون و ميل لنگ اين حرکت رفت و برگشتی پيستونها را به حرکت دورانی و قابل استفاده برای خودرو تبديل می کنند ، در صورتيکه در موتورهای دورانی فشار ناشی از احتراق، نيرويی را بر سطح يک روتور مثلث شکل که کاملاً محفظه احتراق را نشت بندی کرده است، وارد می کند، اين قطعه (روتور) همان قطعه ای است که جایگزین پيستون گردیده است.

روتور در مسيری بيضی شکل حرکت می کند، بطوری که هميشه سه راس، اين روتور را در تماس با محفظه سيلندر نگه داشته و سه حجم جداگانه از گازها بين سه سطح روتور و محفظه سيلندر ايجاد می کند.كه در آن انرژي شيميايي به حرارتي و در نهایت به انرژي مكانيكي تبديل مي‌شود.

مراحل احتراق در موتور وانکل(دورانی) :

۱)مرحله مکش :
کورس مکش از لحظه ای شروع می شود که راس یکی از وجه های روتور ، از مقابل دریچه ورودی هوا عبور نموده ودریچه باز می شود. بزرگترین مقدار حجم مکش موتور در قسمت مکش صورت می گیرد، که به دلیل ازدیاد ناگهانی حجم، فشار داخل محفظه کاهش یافته و این اختلاف فشار (محیط با داخل محفظه) سبب وارد شدن مخلوط سوخت وهوا به داخل آن می شود. هنگامی که وجه بعدی روتور از جلوی پورت ورودی می گذرد محفظه بصورت کامل نشت بندی می شود تا فرآيند تراکم شروع شود. دریچه موتور وانکل، گاهی در محیط محفظه و گاهی بر روی درپوش های جانبی ساخته می شودو یا ممکن است یکی در روی درپوش و دیگری در روی محیط محفظه باشد.

۲)مرحله تراکم :
با چرخش روتور حجم محصور شده سوخت به سمت شمع سوق داده شده،حجم مربوطه به کمترين مقدار خود نزديک می شود و اين درست هنگامی است که با جرقه شمع، احتراق شروع می گردد. گاز تحت فشار بین رینگ های روی روتور که تعداد آنها بین نه تا پانزده عدد است، محصور بوده و از فرار آن جلو گیری می کند ( از نه عدد رینگ، سه عدد رینگ پیشانی و شش عدد رینگ جانبی است که در دوسطح روتور نصب می شود). نسبت تراکم موتورهای وانکل را با تغییر شکل هندسی محفظه ، روتور و میل لنگ و تجربه های گوناگون بدست می آورند.
در موتورهای وانکل Audi-NSU مدل RO80 باحجم مفید CM^3 87/994 ، در دور r.p.m 5500 قدرت موتور ۱۳۰hp (اسب بخار) و نسبت تراکم آن ۹:۱ می باشد.
در موتور Mazda مدل R100 حجم مفید موتور CM^3 983/4 است که در دور r.p.m7000 قدرتی معادل ۱۰۰hp را با نسبت تراکم ۱: ۴/۹ تولید می کند.
نسبت تراکم موتور وانکل بر اساس طراحی مقدار شعاع روتور و مقدار خارج از مرکز محور تعیین می شود.

۳)مرحله قدرت (احتراق) :
پس از اینکه روتور به مرحله تراکم رسید و مخلوط سوخت و هوا به بالا ترین سطح تراکم رسید، شمع جرقه می زند و مخوط سوخت و هوا متراکم شده، منفجر می گردد. پس ازحرکت بیشتر روتور، گازمحترق شده منبسط می گرددو فشار محفظه احتراق را به شدت افزایش می دهد این فشار ایجادشده برسطح روتور تاثیر گذاشته و نیروی فشاری تولید می گردد که اثر نیرو در بازوی اهرم، گشتاور متوسط موتور را بوجود می آورد. در بعضی(بیشتر)مواقع احتراق ناقصی رخ می دهد، به همین دلیل در اکثر موتورهای دورانی از دو شمع در اين ناحيه استفاده می شود. در حقیقت می توان گفت ، از تاثیرنیروی وارده بر روتور در این فاصله، گشتاور موتور بوجود می آید.

۴)مرحله تخلیه :
بعد از مرحله انبساط گاز و ایجاد قدرت، راس آن قسمت از وجه روتور که از مقابل دریچه خروجی که در محیط محفظه قرار دارد می گذرد، دودهای حاصل از سوختن هیدروکربونها به اگزوز انتقال می یابد. در موتور دوزمانه وانکل، دریچه ورودی و خروجی بصورت دائمی باز هستند و هر وجهی که در مقابل این دریچه ها واقع شود، عملیات ورود یا خروج تنها در آن وجه صورت می گیرد.
یکی از مزایای موتور وانکل آن است که فرصت هر مرحله از عملیات چهار زمان سیکل اتو زیادتر ودر حدود ۲۷۰درجه است، بنابراین راندمان حجمی موتور وانکل نسبت به موتور اتو که معدل هر مرحله آن ۱۸۰درجه می باشد بیشتر است.
در موتورهاي پيستوني، سيكل كامل در چهار زمان و يا در دو زمان انجام مي‌شود. در موتور وانكل نمي‌توان اين اصطلاح را به كار برد، زيرا حركت مشخص در يك زمان مشخص قابل تفكيك نيست. همان طور که میدانید در موتور های پیستونی ابتدا حرکت به صورت رفت و برگشت است و این حرکت را به حرکت دورانی تبدیل میکنیم. اما در موتور های وانکل از همان ابتدا حرکت دورانی را ایجاد میکنیم. که این عمل باعث میشود که اولا قطعات متحرک کاهش پیدا کند و در ثانی وزن موتور کمتر شود. قدرت موتور افزایش پیدا میکند به طوری که شما میتوانید از یک موتور وانکل با حجم ۱٫۴ لیتری قدرتی معادل ۲۰۰ اسب بخار را بدون استفاده از توربو شارژر یا سوپر شارژر بدست بیاورید و دور موتور را تا ۹۰۰۰ RPMبرسانید.!!!

اجزاء موتور وانکل:
ساختمان موتور وانکل :
جنس ساختمانی موتور وانکل از همان موادی است که در موتورهای پیستونی با آن ساخته می شوند، در این موتور هم از آلیاژ آلومینیوم ، چدن و فولاد بکار می رود. موتور های دورانی دارای سيستم جرقه و سوخت رسانی مشابه با موتورهای پيستونی می باشند.

محور اصلی :
یک محور اصلی وجود دارد که جانشین میل لینگ در موتورهای پیستونی بوده و محور لنگ حذف گردیده و بجای آن بادامک گرد خارج از مرکز ساخته شده است. این قسمت بادامک خارج از مرکزکه استوانه ای شکل است، هر روتور روی يکی از اين بادامکها سوار خواهد شدو در داخل روتور بصورت یاتاقانی قرار می گیرد. از آنجاييکه اين بادامکها دارای يک خروج از مرکز مي باشند نيروی وارد از طرف روتور به اين بادامکها، گشتاوری در محور ايجاد مي کند که باعث چرخيدن آن مي شود. محور اصلی، درخارج از هر درپوش تکیه گاه یاتاقان بندی شده تا با این طراحی، بار روتور از روی آنها حذف گردد.

این قطعه همان کار میل لنگ را در موتورهای سیلندر پیستونی انجام میدهد. دارای برآمدگی هایی برای سوار شدن روتور به روی شفت هست که این برامدگی های با تعداد روتور ها مساوی است. این برامدگی ها به صورت خارج مرکز طراحی شده اند، که با گردش روتور روی این لبه ها گشتاور تولید میشود و همزمان با آن شفت به چرخش در می آید، که این حرکت ترکیبی است . که همانند حرکت سیارات، علاوه بر حرکت انتقالی حرکت وضعی نیز دارد. بر روی این محور دنده ای نصب است که باعث درگیری با دنده موتور استارت می شود .

روتور(Rotor):
این قطعه همان کار پیستون را در موتور های رفت و برگشتی انجام می دهد(کار تراکم و بعد انجام کار). روتور در این موتورها منشوری شکل است،و وجوه جانبی آن محدب می باشد. در وسط روتور، استوانه ای توخالی ایجاد شده که باداشتن تکیه گاه یاتاقانی (بابیتی یا رولبرینگی) روی بادامک محور اصلی قرار می گیرد. بین مرکز بادامک استوانه ای و مرکز محور اصلی فاصله ای وجود دارد که به آن شعاع خارج از مرکز گفته می شود، که جانشین شعاع لنگ، میل لنگ در موتور های پیستونی می باشد. به عبارت دیگر گشتاور موتور عبارتست از نیروی واردشده بر روتور، ضربدر فاصله خارج از مرکز .

این قطعه از یک شکل هندسی سه ضلعی بهره می برد که از طریق هر راس، این سه ضلع با محفظه خود در ارتباط اند و سه حجم گازبندی شده را می سازند. هر قسمت از اين محفظه به يکی از فرآيندهای موتور اختصاص خواهد داشت. ( مکش- تراکم – احتراق- تخليه). اما به دلیل اصطکاک بالایی که بین این سطوح موجود است معمولا در هر راس از موادی برای آب بندی استفاده می شود که علاوه بر کاهش اصطکاک باعث جلوگیری از نشت بنزین یا روغن به دیگر نقاط میشود. همواره سه لبه روتور در تماس با ديواره محفظه قرار گيرد.