همه چيز در مورد ديزل

مقدمه
آقاي رودلف کريستين کارل ديزل در سال ۱۸۵۸ در پاريس به دنيا آ مد. رودلف فرزند خانواده اي کم درآمد و پر جمعيت بود ولي سعي و تلاش و جديت در کار او را به مرتبه اي رساند که يکي از معروفترين محصولات ساخت بشر را به اسم او نام گذاري کردند.

ديزل خواهان راندمان احتراقي بالاتر و مصرف سوخت پايين تر در موتورهاي درون سوز بود. راه حل پيشنهادي ديزل بکار گيري يک موتور درون سوز با ضريب تراکم بالاتر و سوخت مصرفي سنگين تر بود. بر طبق قانون « بويل ـ ماريوت »، بين کاهش حجم و افزايش فشار گازها همواره نسبت ثابتي وجود دارد يعني هر چه گازها فشرده تر کنيم، بر فشار آنها افزوده ايم. وقتي فشار و جنبش مولکولي يک گاز افزايش پيدا کند بر حرارت آن نيز افزوده خواهد شد و اين دقيقاً پايه و اساس سيکل ديزل است. تفاوت عمده موتورهاي بنزيني و ديزل در نحوه احتراق سوخت آنهاست بدين شکل که در موتورهاي بنزيني مخلوط سوخت و هوا پس از فشرده شدن توسط جرقه شمع محترق مي شود ولي در موتورهاي ديزل هوا به تنهايي متراکم وگرم مي شود و سپس بر اثر پاشش يا تزريق گازوئيل، عمل احتراق صورت مي گيرد.

چهار سيکل اساسي در موتورهاي ديزل چهار زمانه عبارتند از :

مکش :
در اين سيکل پيستون در نقطه مرگ بالا قرار گرفته و سوپاپ هوا باز است. بر اثر پايين رفتن پيستون در سيلندر اختلاف فشار ايجاد شده و هوا به درون سيلندر مکيده مي شود.
تراکم :
در اين مرحله هر دو سوپاپ دود و هوا بسته شده اند و هوا درون سيلندر گير افتاده. براثر بالا آمدن پيستون هواي درون سيلندر فشرده و گرم مي شود.
انفجار يا احتراق :

در اين سيکل پيستون به نقطه مرگ بالا برگشته و هواي درون سيلندر کاملاً فشرده و گرم شده است. حالا گازوئيل به درون محفظه احتراق تزريق مي شود و بر اثر برخورد با توده هواي گرم و فشرده محترق مي شود. عمل احتراق با افزايش ناگهاني فشار همراه است بنابراين پيستون با فشار زياد به پايين هل داده مي شود. در اين سيکل است که «کار مفيد » انجام مي شود.

تخليه :
کمي قبل از رسيدن به پيستون به نقطه مرگ پايين سوپاپ دود باز شده و دود حاصل از احتراق از سيلندر خارج مي شود.
راهکارهايي براي بهبود عملکرد موتورهاي ديزل :
به جرات مي توان کفت که تا کنون هيچ نوع موتور درون سوزي به اندازه موتورهاي ديزل مورد بازنگري و بهينه سازي قرار نگرفته.در اين بين « شمع گرمکن » ، «توربو چارجر» ، «انژکتور برقي» ، «اينتر کولر» و ده ها مورد ديگر نقش عمده اي در افزايش توان و کاهش مصرف سوخت موتورهاي ديزل داشته اند. بياييد اين موارد را به صورت جداگانه بررسي کنيم :
شمع گرمکن :

براي حصول احتراق يا همان اکسيداسيون سريع به سه عامل نياز داريم : هوا ( اکسيژن )، گرما و ماده سوختني. گفتيم که عمل احتراق در موتورهاي ديزل به واسطه پاشش گازوئيل بر روي توده هواي گرم و فشرده شده صورت مي گيرد. امروزه براي تصريع و بهبود عمل احتراق در موتورهاي ديزل از شمع گرمکن استفاده مي شود. شمع گرمکن عبارت است از يک المنت برقي کوچک که همانند شمع هاي معمولي موتورهاي بنزيني به سر سيلندر پيچ مي شود. سر اين شمع داراي يک المنت الکتريکي است و در محفظه احتراق جاي ميگيرد با روشن کردن سوئيچ، المنت مذکور سريعاً گرم مي شود. حال اگر موتور را روشن کنيد، گازوئيل به درون محفظه احتراق پاشيده مي شود ولي قبل از برخورد با توده هوا جبراً با المنت داغ برخورد کرده و دماي آن بالا مي رود. حال به جاي هواي گرم و گازوئيل سرد، هواي گرم و گازوئيل داغ داريم! به عبارتي شمع گرمکن باعث افزايش دماي گازوئيل ( در هنگام پاشيده شدن به درون محفظه احتراق )، تسريع عمل احتراق و کاهش هيدرو کربن هاي نسوخته مي شود.

توربو چارجرها :
گازوئيل به مراتب سنگين تر از بنزين است ( در حدود ۵/۱ برابر ) بنابراين براي محترق شدن به مقدار بيشتري هوا نياز دارد. ار طرفي اين تراکم هوا در درون سيلندر است که باعث افزايش فشار و دماي آن مي شود. در موتورهايي که فاقد توربو چارجر هستند ( چه بنزيني چه ديزل )، هواي وارد شده به درون سيلندر در زمان مکش فشاري معادل ۹/۰ تا ۱ اتمسفر دارد که اين فشار در سيکل تراکم تا ۱۶ اتمسفر ( بسته به ضرايب تراکم و نوع موتور ) بالا مي رود. اين ميزان تراکم فشار و دماي مورد نياز موتورهاي ديزل را نامين نمي کند پس بايد با کمک يک پمپ هوا جرم هواي ورودي را افزايش داد. در موتورهاي ديزل اين کار معمولاً با کمک دستگاهي به نام توربوچارجر صورت مي گيرد.

تور چارجر عبارت است از يک توربين که از فشار گاز اگزوز نيرو مي گيرد. تورجو چارجر داراي ۲ پره اصلي است. يکي از اين پره ها بر اثر برخورد با گازهاي خروجي اگزوز دوران کرده و محور اصلي توربو چارجر را مي چرخاند. سر ديگر اين محور به پره کمپرسور متصل است. با چرخيدن پره کمپرسور هواي ورودي فشرده شده و جرم آن افزايش مي يابد. تور چارجرها قادرند تا ۱۰ اتمسفر فشار ايجاد کنند ولي فشاري که معمولاً توسط توربو چارجرهاي اتومبيلهاي سواري ديزل ايجاد مي شود بيشتر از ۵/۱ يا ۲ اتمسفر نيست. حال ببينيم با به کار گيري توربوچارجر چه اتفاقي مي افتد؟

گفتيم که فشار هواي ورودي توسط توربوچارجر از ۵/۱ تا ۲ اتمسفر افزايش مي يابد. حال اگر هواي وارد شده به درون سيلندر به جاي ۱ اتمسفر ۵/۱ اتمسفر فشار داشته باشد، پس از متراکم شدن( در نسبت ۱۶ به ۱ ) به جاي ۱۶ اتمسفر، ۲۴ اتمسفر فشار خواهد داشت و اين يعني جرم و حرارت بيشتر و در نتيجه احتراق بهتر و آلودگي کمتر.
توربوچارجرها نيز از جمله مواردي هستند که مورد بهينه سازي هاي بسياري قرار گرفته اند. بعضي از توربوچاجرها تا ۱۲۰ هزار دور در دقيقه دوران مي کنند و داراي پره هايي با قابليت تنظيم شوندگي هستند.
انژکتور :

قبل از همه چيز بايد به اين نکته اشاره کنيم که ما موتور ديزلي کاربراتوري نداريم چرا که گازوئيل حتماً بايد به درون محفظه احتراق ( و نه حتي منيفولد ) پاشيده شود. عمل تزريق سوخت چه در موتورهاي بنزيني و چه در موتورهاي گازوئيلي باعث پخش شدن و ترکيب بهتر ذرات سوخت و هواي درون سيلندر مي شود. براي درک بهتر اين مطلب آزمايش زير را انجام دهيد :
کمي الکل را در÷ يک ليوان کوچک ريخته و آتش بزنيد. در اين وضعيت الکل به آرامي خواهد سوخت ولي اگر همان مقدار الکل را درون يک افشانه ريخته و به سمت يک شعله شمع بيافشانيد، شاهد احتراقي بهتر، کامل تر و سريع تر خواهيد بود. موتورهاي ديزل اوليه داراي انژکتورهاي مکانيکي بودند ولي امروز از انژکتورهاي برقي يا سلنوئيدي استفاده مي شود. سوزن انژکتورهاي جديد داراي چندين سوزاخ بسيار ريز هستند تا عمل پاشش گازوئيل و يونيزه شدن ( بصورت ذره درآمدن سوخت ) در آنها بهتر صورت گيرد.
اينتر کولر :

همان طور که ذکر شد تراکم بيشتر باعث بهبود عملکرد موتورهاي ديزل مي شود ولي از طرفي تراکم هوا باعث گرم شدن آن مي شود . گرما هم به نوبه خود باعث انبساط و کاهش جرم هوا مي شود. حال چاره کار چيست؟ استفاده از اينترکولر !

اينتر کولر عبارت است از يک خنک کننده که از دماي هواي فشرده شده ورودي مي کاهد. کاهش دماي هوا باعث متراکم شدن بيشتر و افزايش جرم آن مي شود ولي صبر کنيد، گفتيم که در موتورهاي ديزل بخشي از دماي مورد نياز براي احتراق از گرماي حاصله از تراکم هوا بدست مي آيد، حال اگر هواي فشرده شده خنک و فاقد گرماي کافي باشد چه ؟ نگران نباشيد، بکار گيري شمع گرمکن قوي تر باعث افزايش دماي گازوئيل تا ۳۰۰ يا حتي ۵۰۰ درجه سانتيگراد مي شود. اگر گازوئيل را با اين دما به روي يک توده هواي خنک و فشرده

بپاشيم، صد در صد محترق خواهد شد. اينترکولرها داراي يک پمپ گرداننده مايع خنک کننده، لوله هاي انتقال مايع خنک کننده ( که معمولاً به دور کانال ورودي هوا پيچيده شده اند ) و رادياتور هستند. با گردش مايه خنک کننده به دور کانال هوا، گرماي هواي فشرده شده ورودي گرفته شده و پس از انتقال به رادياتور دفع مي شود. مايع دورن اينترکولر تقريباً شبيه به ضد جوش هاي معمولي است ولي توان تبادل گرماي آن بيشتر است. براي افزايش راندمان موتورهاي ديزل ده ها راهکار ديگر پيشنهاد شده و مي شود مثلاً طراحي محفظه احتراق به شکلي که باعث چرخش بهتر هوا ذر سيکل تراکم مي شود و يا استفاده از اطاق احتراق اوليه که در نماي برش خورده موتور ديزل نشان داده شده است

ـمزاياي موتورهاي ديزل :
عدم نياز به سيستم جرقه زني :
عمل احتراق در موتورهاي ديزل به واسطه پاشش گازوئيل داغ بر روي توده هواي فشرده شده صورت مي گيرد بنابراين نياز به دينام، کوئل، دلکو، واير و شمع منتنفي است .
فقير سوز بودن :

از آنجايي که سوخت مصرفي موتورهاي ديزل از نوع سنگين با عدد ستان ( تعداد اتم هاي کربن در مولکول سوخت ) بالاست، تزريق مقدار کمي سوخت براي محترق شدن کافي است از اين رو موتورهاي ديزل را فقير سوز مي نامند. مصرف سوخت موتورهاي ديزل تا ۳۰ درصد کمتر از موتورهاي بنزيني با حجم و تعداد سيلندر مشابه است .
نيروي تورک بالا :

در موتورهاي بنزيني مخلوط فشرده شده هوا و بنزين توسط جرقه شمع محترق مي شود. اين احتراق بسيار سريع الوقوع است ولي در موتورهاي ديزلي احتراق کندتر صورت مي گيرد بنابراين نيروي حاصل از احتراق مدت زمان بيشتري ( اگر چه اين اختلاف زماني در حد هزارم ثانيه است ) بر روي پيستون نيرو وارد مي کند. نتيجه اين امر کاهش چشمگير سرعت دوران موتور ديزلي و افزايش فوق العاده نيروي کشش آن نسبت به موتورهاي بنزيني است. به همين علت است که موتورهاي ديزل شالو ده صنايع حمل و نقل زميني را تشکيل داده اند. ۹۹ درصد تانک ها، نفربرها و ساير وسائط نقليه سنگين نيز به موتور ديزل مجهز شده اند.

قابليت استفاده از ساير انواع سوخت :

زماني که آقاي ديزل موتور خود را اختراع کرد هنوز گازوئيل وجود نداشت. وي اولين موتور ساخت خود را با گرد ذغال سنگ به کار انداخت بکار انداخت ولي بعداً به فکر استفاده از روغن هاي گياهي به عنوان سوخت افتاد. وي موتوري ساخت که با روغن بادام کار مي کرد. اين امر امروزه بسيار مورد توجه قرار گرفته چرا که استفاده از روغن گياهي و بيوديزل ( سوختي که از طبيعت بدست مي آيد و به جاي گازوئيل مورد استفاده قرار مي گيرد. ) باعث ميشود تا هيچ مقدار دي اکسيد کربن اضافي وارد هوا نشود. به عبارتي دي اکسيد کربن حاصل از احتراق روغن و يا سوخت گياهي همان دي اکسيد کربني است که قبلاً توسط گياه از هوا جذب شده و اين يعني يک چرخه قابل بازيافت و يک منبع طبيعي براي تامين سوخت .