موتور درون سوز (Internal Combustion Engine) چیست؟
موتورهای احتراق داخلی (ICE) رایج‌ترین نوع موتورهای حرارتی هستند، زیرا در وسایل نقلیه، قایق‌ها، کشتی‌ها، هواپیماها و قطارها استفاده می‌شوند. آنها به این دلیل نامگذاری شده اند که سوخت برای انجام کار در داخل موتور مشتعل می شود. سپس همان مخلوط سوخت و هوا به عنوان دود از اگزوز خارج می شود. این کار را می توان با استفاده از یک پیستون (به نام موتور رفت و برگشتی) یا با یک توربین انجام داد.
موتورهای درون سوز پرکاربردترین دستگاه های مولد نیرو هستند که در حال حاضر وجود دارند. به عنوان مثال می‌توان به موتورهای بنزینی، موتورهای دیزلی، موتورهای توربین گازی و سیستم‌های نیرومحرکه اشاره کرد.
موتورهای درون سوز به دو گروه موتورهای احتراق پیوسته و موتورهای احتراق متناوب تقسیم می شوند. موتور احتراق پیوسته با جریان ثابت سوخت و اکسید کننده به داخل موتور مشخص می شود. یک شعله پایدار در داخل موتور (به عنوان مثال، موتور جت) حفظ می شود. موتور احتراق متناوب با احتراق دوره ای هوا و سوخت مشخص می شود و معمولاً به عنوان موتور رفت و برگشتی شناخته می شود. حجم های گسسته هوا و سوخت به صورت چرخه ای پردازش می شوند. موتورهای پیستونی بنزینی و موتورهای دیزلی نمونه هایی از این گروه دوم هستند.
موتورهای درون سوز را می توان بر حسب یک سری رویدادهای ترمودینامیکی مشخص کرد. در موتورهای احتراق پیوسته، رویدادهای ترمودینامیکی به طور همزمان به عنوان اکسید کننده و سوخت و محصولات احتراق به طور پیوسته در موتور جریان می یابند. در مقابل، در موتور احتراق متناوب، رویدادها پشت سر هم رخ می دهند و برای هر چرخه کامل تکرار می شوند.
به استثنای موشک ها (هم موتورهای موشک جامد و هم موتورهای موشک سوخت مایع)، موتورهای درون سوز هوا را می بلعند، سپس هوا را فشرده می کنند و سوخت را وارد هوا می کنند یا سوخت وارد می کنند و مخلوط هوا و سوخت را فشرده می کنند. سپس، در همه موتورهای درون سوز بصورت مشترک، مخلوط هوا و سوخت سوزانده می شود، عملیات از انبساط محصولات گازی داغ حاصل از سوخت استخراج می شود و در نهایت محصولات سوخت از طریق سیستم اگزوز آزاد می شوند. عملکرد آنها با موتورهای برون سوز (مثلاً موتورهای بخار) که در آنها سیال عامل واکنش شیمیایی نشان نمی دهد و انرژی صرفاً از طریق انتقال حرارت به سیال کار از طریق مبدل حرارتی به دست می آید.
رایج ترین موتور درون سوز، موتور چهار زمانه، موتور بنزینی، شارژ همگن و جرقه زنی است که به دلیل عملکرد برجسته آن به عنوان یک محرک اصلی در صنعت حمل و نقل زمینی است. موتورهای جرقه زنی نیز در صنعت هوانوردی استفاده می شوند. با این حال، توربین‌های گاز هواپیما به دلیل تاکید صنعت هوانوردی بر برد، سرعت و راحتی مسافران، به محرک‌های اصلی در این بخش تبدیل شده‌اند. حوزه موتورهای درون سوز همچنین شامل دستگاه‌های عجیب و غریبی مانند موتورهای رمجت احتراقی مافوق صوت (scramjets) مانند آنهایی است که برای هواپیماهای مافوق صوت پیشنهاد می‌شوند، و موتورها و موتورهای موشکی پیچیده، مانند آنهایی که در شاتل‌های فضایی ایالات متحده و سایر وسایل نقلیه فضایی استفاده می‌شوند.
موتور درون سوز چگونه کار می کند؟
درون سوزی، فرآیند شیمیایی اولیه آزادسازی انرژی از مخلوط سوخت و هوا است. در موتور درون سوز (ICE)، احتراق و احتراق سوخت در خود موتور اتفاق می افتد. سپس موتور تا حدی انرژی حاصل از احتراق را به کار می گیرد. موتور از یک سیلندر ثابت و یک پیستون متحرک تشکیل شده است. گازهای احتراق در حال انبساط، پیستون را فشار می دهند که به نوبه خود میل لنگ را می چرخاند. در نهایت، از طریق یک سیستم دنده در پیشرانه، چرخ های خودرو را به حرکت در می آورد. منبع
می توانیم موتورهای رفت و برگشتی درون سوز را بر اساس تعداد حرکت پیستون در یک سیکل کاری کامل طبقه بندی کنیم. بنابراین می توان از موتورهای دو زمانه و موتورهای چهار زمانه صحبت کرد.
دو نوع موتور درون سوز در حال حاضر در حال تولید هستند: موتور بنزینی با احتراق جرقه ای و موتور دیزلی با احتراق تراکمی. اکثر این موتورها با سیکل چهار زمانه هستند، به این معنی که برای تکمیل یک سیکل به چهار حرکت پیستون نیاز است. این سیکل شامل چهار فرآیند مجزا است: ورودی، فشرده سازی، احتراق و ضربه قدرت و اگزوز.
چرخه کامل رویدادهای گروه قبلی، یعنی مکش، فشرده‌سازی، اشتعال و دود اگزوز، در یک دور چرخش میل لنگ یا در دو حرکت پیستون انجام می‌شود، زیرا فشرده‌سازی و انبساط شارژ در طول یک حرکت انجام می‌شود. ، در حالی که پذیرش شارژ تازه در هنگام ضربه دیگر همزمان با خروج گازهای سوخته اتفاق می افتد. در موتورهای چهار زمانه چرخه کامل موتور در دو دور چرخش میل لنگ یا چهار حرکت پیستون انجام می شود.
طبقه بندی دیگری بر اساس فرآیند احتراق وجود دارد: موتورهای احتراقی انفجاری و موتورهای احتراق فشار ثابت یا با حجم ثابت یا موتورهای دیزلی.
موتور احتراقی شمعی: موتور درون سوز معمولاً با بنزین یا گاز طبیعی کار می کند، به سیستمی که فرآیند احتراق توسط یک شمع شروع می شود، موتور احتراقی شمعی گفته می شود.
موتورهای دیزلی با احتراق جرقه ای و بنزینی با احتراق تراکمی در نحوه تامین و احتراق سوخت متفاوت هستند. در موتور جرقه زن، سوخت با هوا مخلوط می شود و سپس در طی فرآیند مکش به داخل سیلندر القا می شود. پس از اینکه پیستون مخلوط سوخت و هوا را فشرده می کند، جرقه آن را مشتعل می کند و باعث احتراق می شود. انبساط گازهای حاصل از احتراق، پیستون را در حین حرکت برق فشار می دهد. در موتورهای دیزلی فقط هوا به موتور القا می شود و سپس فشرده می شود. سپس موتورهای دیزلی سوخت را با سرعت مناسب و اندازه گیری شده در هوای فشرده داغ می پاشند و باعث مشتعل شدن آن می شوند.
با اتصال پیستون به میل لنگ، موتور قادر است بخشی از انرژی ورودی به سیستم را به کار مفید تبدیل کند. برای فشرده سازی پیستون در یک موتور احتراق متناوب، موتور گاز را تخلیه می کند. سپس از یک هیت سینک برای نگه داشتن سیستم در دمای ثابت استفاده می شود. یک توربین گاز که از احتراق مداوم استفاده می کند، به سادگی گاز خود را به طور مداوم و نه در یک چرخه تخلیه می کند. موتورهای حرارتی با توربین‌های گازی بر اساس یک اصل مشابه کار می‌کنند، هوای گرم به محفظه توربین وارد می‌شود و توربین را می‌چرخاند (شکل 1).
نمونه هایی از ICE
موتور چهار زمانه
اکثر موتورهای احتراق داخلی از یک سیکل چهار زمانه استفاده می کنند که شامل مکش، تراکم، احتراق و اگزوز برای تبدیل سوخت به قدرت مکانیکی کارآمد است.
در حالی که انواع زیادی از موتورهای درون سوز وجود دارد، موتور پیستونی چهار زمانه (شکل 2) یکی از رایج ترین آنها است. در اتومبیل های مختلف (که به طور خاص از بنزین به عنوان سوخت استفاده می کنند) مانند اتومبیل ها، کامیون ها و برخی از موتور سیکلت ها استفاده می شود. یک موتور چهار زمانه به ازای هر دو سیکل پیستون ضربات قدرتی ارائه می دهد.
- در فرآیند مکش intake، پیستون به سمت پایین حرکت می کند و خلاء ایجاد می کند که مخلوط سوخت و هوا را به داخل سیلندر می کشد.
- در فرآیند تراکم compression، هر دو سوپاپ بسته می شوند و پیستون به سمت بالا حرکت می کند و مخلوط را فشرده می کند.
- شمع در مرحله احتراق combustion مخلوط فشرده شده را مشتعل می کند و در نتیجه یک انفجار سریع رخ می دهد. گازهای پرفشار حاصل از احتراق، پیستون را به سمت پایین می راند و کار مکانیکی ایجاد می کند.
- در نهایت، دریچه اگزوز exhaust در جریان اگزوز باز می شود و به پیستون اجازه می دهد تا گازهای مصرف شده را خارج کند.
در نهایت، دریچه اگزوز در جریان اگزوز باز می شود و به پیستون اجازه می دهد تا گازهای مصرف شده را خارج کند.
موتور درون سوز از چندین جزء کلیدی تشکیل شده است که با هم کار می کنند تا نیرو تولید کنند:
- سیلندر یک محفظه مهر و موم شده را فراهم می کند که در آن احتراق به طور فعال رخ می دهد.
- پیستون با یک حرکت رفت و برگشتی به سمت بالا و پایین حرکت می کند.
- میل لنگ شارژ می شود و حرکت خطی پیستون را به حرکت چرخشی فعال تبدیل می کند.
- سوپاپ ها، از جمله دریچه های ورودی و خروجی، به طور فعال جریان مخلوط سوخت و هوا و خروج گازهای خروجی را کنترل می کنند.
- در نهایت، شمع به طور فعال جرقه ای برای مشتعل کردن مخلوط سوخت و هوا ایجاد می کند و کل عملکرد را به حرکت در می آورد. این اجزا با هم کار می کنند و به طور فعال عملکرد قدرتمند و هماهنگ موتور را تولید می کنند.
انواع موتور چهار زمانه
سه نوع اصلی از موتورهای درون سوز وجود دارد که هر کدام ویژگی ها و کاربردهای منحصر به فرد خود را دارند:
موتورهای گازسوز که به عنوان موتورهای بنزینی نیز شناخته می شوند و معمولا در خودروها یافت می شوند. آنها با مشتعل کردن مخلوط سوخت و هوا با شمع کار می کنند. مکش خلاء ایجاد می کند و مخلوط را به داخل می کشد. در طول ضربه فشرده سازی، مخلوط فشرده می شود و هنگامی که مشتعل می شود، احتراق رخ می دهد و نیرو تولید می کند. موتور گازسوز که گاهی موتور جرقه زنی نیز نامیده می شود، به دلیل واکنش سریع دریچه گاز، طبیعت دور بالا و عملکرد روانش نیز شناخته می شود.
از سوی دیگر موتورهای دیزلی که در کامیون ها و اتوبوس ها یافت می شوند. آنها متفاوت از موتورهای بنزینی عمل می کنند. در یک موتور دیزلی، هوا به شدت فشرده می شود و سوخت مستقیماً به هوای داغ و فشرده تزریق می شود. این کار باعث ایجاد احتراق کنترل شده بدون نیاز به شمع می شود. موتورهای دیزلی راندمان سوخت استثنایی، گشتاور خروجی بالا و دوام ناهموار را ارائه می دهند که آنها را برای کارهای سخت ایده آل می کند.
از توربین ها در موتورهای هواپیما، نیروگاه ها و کشتی ها استفاده می شود. آنها مانند موتورهای بنزینی و دیزلی پیستون ندارند. در عوض، از جریان مداوم هوا یا گازهای احتراق استفاده می کنند. فرآیند ورودی هوا را فشرده می کند و هنگامی که سوخت اضافه می شود و مشتعل می شود، احتراق سریع رخ می دهد. گازهای پرفشار حاصل از پره های توربین جریان می یابد و به سرعت آنها را می چرخاند. این حرکت چرخشی برای نیرو دادن به موتور یا تولید برق مهار می شود. توربین ها نسبت قدرت به وزن بالا، شتاب سریع و قابلیت اطمینان را ارائه می دهند که آنها را برای حمل و نقل هوایی و تولید برق ضروری می کند.
موتورهای احتراقی و انقلاب صنعتی
اختراع موتور درون سوز تأثیر قابل توجهی بر انقلاب صنعتی گذاشت. مخترعان متعددی در توسعه موتور نقش داشتند، اما نیکولاس اتو Nikolaus Otto نقش بسزایی در ایجاد اولین موتور درون سوز در سال 1876 داشت. اما ممکن است این انقلاب با پیشرفت های مهندس بلژیکی ژان ژوزف اتین لنوارJean Joseph Étienne Lenoir در دهه های قبل امکان پذیر شده باشد.
در سال 1859، لنوار موتوری ساخت که از مخلوطی از زغال سنگ، گاز و هوا استفاده می کرد که توسط جرقه الکتریکی مشتعل می شد. موتور او اولین موتور درون سوز موفق تجاری بود که عمدتاً در کاربردهای ثابت استفاده می شد.
اگرچه کارایی محدودی داشت، اما یک پله مهم در پیشرفت فناوری موتور بود. کار پیشگامانه لنوار زمینه ساز نوآوری های بعدی توسط مخترعانی مانند نیکولاس اتو شد که منجر به موتورهای احتراق داخلی کارآمدتر و کاربردی تر امروزی شد.
قبل از اختراع نیکولاس اتو، چشم انداز صنعتی در درجه اول به نیروی بخار متکی بود. موتورهای بخار دست و پا گیر بودند، به زیرساخت های بزرگ نیاز داشتند و عمدتاً ثابت بودند. سپس موتور احتراقی آمد و یک منبع قابل حمل و کارآمد قدرت را معرفی کرد و حمل و نقل را کاملا متحول کرد.
اندازه جمع و جور موتور و قابل حمل بودن آن را قادر ساخت تا در وسایل نقلیه مانند اتومبیل و لوکوموتیو گنجانده شود که منجر به تحرک بی سابقه و حمل و نقل سریع کالا و افراد شد. این پیشرفت در حمل و نقل تجارت را بسیار تسهیل کرد، بازارها را گسترش داد و به رشد شهرها و شهرنشینی کمک کرد.
در دنیای تولید، پذیرش گسترده موتور در ماشین آلات و تجهیزات صنعتی، فرآیندهای پرزحمت را متحول کرد. ماشین‌ها و ابزارها را نیرو می‌داد، بهره‌وری و کارایی را افزایش می‌داد و کل بخش صنعت را به جلو می‌برد.
موتورهای درون سوز در مقابل برون سوز
موتور درون سوز و موتور برون سوز دو روش متفاوت برای مهار انرژی از سوخت دارند.
درون سوزی به فرآیندی اطلاق می شود که در آن احتراق سوخت در خود موتور اتفاق می افتد. سوخت که معمولاً مخلوطی از هوا و هیدروکربن است، در داخل یک محفظه احتراق مشتعل می‌شود که منجر به انفجارهای کنترل‌شده می‌شود. این انفجارها فشار و دمای بالایی ایجاد می کند که پیستون ها را به حرکت در می آورد و در نهایت انرژی را به کار مکانیکی تبدیل می کند.
از سوی دیگر، برون سوزی شامل سوزاندن سوخت در خارج از موتور برای تولید گرما است. سپس این گرما به سیال در حال کار مانند بخار یا گاز منتقل می شود که منبسط شده و پیستون یا توربین را به حرکت در می آورد. نمونه هایی از موتورهای برون سوز عبارتند از موتورهای بخار steam engines و موتورهای استرلینگ Stirling.
