بطور کلی موتورهای احتراق داخلی بر مبنای دفعات توان در هر دور چرخش موتور به دو دسته کلی موتورهای دو زمانه و موتورهای چهار زمانه تقسیم می‌شوند. موتورهای دوزمانه از لحاظ ساختاری ساده‌ترند لیکن موتوهای چهارزمانه کارایی بیشتری دارند.
موتور چهار زمانه به چه معناست؟
موتور چهارزمانه یا موتور چهارهنگامه یکی از انواع موتورهای درون‌سوز است. «موتور چهارزمانهٔ اتو» اولین موتور چهارزمانه بود که در سال ۱۸۷۶ توسط نیکلاس اتو اختراع شد. موتورهای چهارزمانه متداول‌ترین موتورها در وسایل نقلیه امروزی هستند و اغلب با سوخت بنزین و گازوئیل کار می‌کنند. ساختمان و کارکرد همهٔ موتورهای چهارزمانه امروزی تقریباً مشابه موتور چهارزمانهٔ اتو است. دلیل نامگذاری موتورچهارزمانه، چرخهٔ چهارمرحله‌ای آن است.
هر چرخهٔ موتور چهارزمانه به چهار مرحله تقسیم می‌شود و در هر مرحله، هر پیستون یک بار طول سیلندر را می‌پیماید. از آن جایی که تنها در یک مرحله از هر چرخهٔ موتور، به میل لنگ شتاب داده می‌شود؛ هر چرخهٔ کامل موتور چهارزمانه به دو بار چرخش میل لنگ منجر می‌شود.
در این مقاله، برای فهم بهتر مطلب و پی بردن به نحوۀ کار موتور چهار زمانۀ احتراق داخلی، نحوه عملکرد یک سیلندر را شرح می دهیم.
کاربردهای پیشرانه چهار زمانه
موتورهای چهارزمانه امروزه پرکاربردترین موتورهای احتراقی هستند که در طیف وسیعی از خودروها به کار می‌روند. و علت آن نیز شتاب بالای این موتورها و نیز کارآیی و انعطاف پذیری زیاد این موتورهاست.
انواع موتورهای چهار زمانه
موتورهای چهار زمانه به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند که عبارتند از :
موتورهای اشتعال جرقه‌ای
در این موتورها برای مشتعل ساختن سوخت از یک جرقه استفاده می‌شود.
موتورهای دیزل
در این موتورها برای مشتعل ساختن سوخت از حرارت ایجاد شده در محفظه سیلندر و اتاقک احتراق استفاده می‌شود (این حرارت بالا به علت فشردگی زیاد سیال ایجاد می‌شود).
تفاوت موتورهای اشتعال جرقه‌ای و موتورهای دیزل در اینست که در موتورهای اشتعال جرقه‌ای در مرحله مکش مخلوط هوا سوخت (که اغلب بنزین یا گاز طبیعی است) وارد سیلندر می‌شود و پس از آنکه در مرحله تراکم این مخلوط در اتاقک احتراق فشرده شد در یک زمان مناسب (زمان بندی اشتعال )عمل انفجار مخلوط مذکور بوسیله یک جرقه انجام می‌گیرد.
در حالیکه در موتورهای دیزل در مرحله مکش هوای خالی به داخل محفظه سیلندر مکیده می‌شود و در مرحله تراکم نیز فقط هوای خالی در اتاقک انفجار فشرده می‌شود لیکن میزان فشردگی در موتورهای دیزل بیشتر از موتورهای اشتعال جرقه‌ای است. این فشردگی بالا باعث ایجاد حراست زیادی می‌گردد که به محض ورود سوخت در مرحله توان باعث احتراق آن می‌گردد.
اجزای موتور ۴ زمانه
در شکل زیر، سیلندر به صورت شفاف نشان داده شده تا قطعات داخلی آن قابل رویت باشند. قسمت های مختلف آن عبارتند از: سیلندر، پیستون، شاتون، مجاری ورودی و خروجی، سوپاپ ها، شمع و غیره.
ساختمان موتور چهارزمانه
موتورهای چهارزمانه خود گروهی از موتورهای احتراق داخلی هستند. موتورهای احتراق داخلی برای کار کردن به یک سری قطعات و سیستم‌ها نیازمندند. نظیر سیستم سوخت رسانی، بدنه موتور، سیستم سوپاپ‌ها، سیستم خنک کننده و … لیکن موتورهای چهار زمانه دارای مکانسیم‌هایی می‌باشند که انجام چهار مرحله مکش، تراکم، توان و تخلیه را به صورت مجزا ممکن می‌سازد (در موتورهای دوزمانه مراحل مکش و توان و تخلیه و تراکم با هم انجام می‌شوند).
این مکانسیم‌ها عبارتند از:
- سیستم سوخت رسانی و تنظیم سوخت
- سیستم سوپاپ‌ها:که عمل ورود و خروج گازها را بطور دقیق کنترل می کند
- مانیفولد هوا و مانیفولد دود
- سیستم زمان بندی اشتعال
طرز کار موتور چهار زمانه بنزینی
طرز کار هر دو نوع موتورهای چهارزمانه یعنی موتورهای اشتعال جرقه‌ای و موتورهای دیزل تا حد زیادی شبیه به هم است. لیکن در مواردی نیز با یکدیگر تفاوت دارد در ذیل اصول کلی کار موتورهای چهارزمانه را ذکر می‌کنیم.
سیکل اتو شانل چهار زمان (کورس) زیر می شود.
- سیکل مکش (Intake Stroke)
- سیکل تراکم (Compression Stroke)
- سیکل احتراق (Power Stroke)
- سیکل تخلیه (Exhaust Stroke)
برای آشنایی با نحوه عمل کرد و هر چهار کورس، آنها را به صورت جداگانه شرح می دهیم.
مرحله اول: کورس مکش (تنفس)
در کورس مکش (تنفس)، پیستون از بالا به طرف پایین حرکت می کند. به علت آب بند بودن پیستون در داخل سیلندر و سریع پایین رفتن آن و بزرگ شدن ناگهانی حجم بالای پیستون، فشار این منطقه کمتر از فشار هوای محیط می‌شود خلا نسبی به وجود می‌آید) و با باز شدن سوپاپ هوا، مخلوطی از سوخت و هوا وارد سیلندر شده و فضای خالی بالای پیستون را پر می کند.
مقدار بنزین به اندازه لازم به وسیله‌ی کاربراتور یا انژکتور در مسیر هوای مصرفی موتور به صورت اتمیزه پاشیده می شود و از طریق مانیفولد هوا به داخل سیلندر ارسال می گردد.
از نظر تئوری چون سوپاپ گاز باز می شود و قسمت داخلی سیلندر با هوای محیط مرتبط می گردد، بنابراین عمل مکش در فشار ثابت به وقوع می پیوندد؛ اما از نظر عملی، سرعت پیستون بیشتر از سرعت هوای ورودی است.
زیرا ذرات سوخت و هوا دارای اینرسی بوده و تمایل به حرکت کردن ندارند. لذا خلایی در داخل سیلندر ایجاد می‌شود و فشار داخل سیلندر کمتر از فشار جو می گردد و در نتیجه سوخت و هوا به داخل سیلندر جریان می یابند.
مرحله دوم: کورس تراکم (فشرده سازی)
در این مرحله، پیستون از پایین به بالا حرکت میکند و هر دو سوپاپ بسته می مانند؛ درنتیجه مخلوط و سوخت در محفظه احتراق فشرده می‌شود و فشار درون سیلندر در پایان زمان تراکم به ۸ تا ۱۶ اتمسفر می رسد. اندازۀ فشار نهایی گاز در پایان کورس تراکم به عوامل گوناگونی بستگی دارد، از جمله: فضای اتاق احتراق، حجم کل سیلندر، درجه حرارت موتور، فشار هوا، راندمان حجمی موتور و غیره.
در نزدیکی رسیدن پیستون به بالاترین نقطه حرارت خود، شمع جرقه می زند و مخلوط سوخت و هوای متراکم شده را که به علت کوچک شدن فضای سیلندر، مولکول هایش بیشتر با هم تصادف کرده و گرم شده اند را، می سوزاند.
از نظر تئوری، تمام محفظۀ بالای پیستون در انتهای کورس مکش پر از مخلوط سوخت و هوا می شود، اما از نظر عملی درصد پر شدن سیلندر کمتر از این میزان می باشد؛ زیرا به علت اینرسی گاز، نمی توان در زمان مکش تمام فضای سیلندر را از سوخت و هوا اشباع کرد. به علاوه حرارت ایجاد شده در اثر تراکم گاز از دیواره به هوا و آب و روغن انتقال پیدا می کند.
مرحله سوم: کورس احتراق (انفجار)
پس از احتراق و انفجار مخلوط سوخت و هوا، فشار در محفظه احتراق (محفظه کوچک شده بالای پیستون)، به شدت افزایش می‌یابد و گاهی تا ۴۰ اتمسفر می‌رسد و وقتی که بر سطح پیستون اثر کند، نیروی قابل توجهی را به پیستون وارد می کند.
علت بالا رفتن فشار، به طور ناگهانی، احتراق گاز در حجم ثابت است که از نظر تئوری این عمل کاملاً در حجم ثابت فرض شده است و در یک لحظه تمام هیدروکربن های متراکم شده، محترق می گردند؛ ولی از نظر عملی به دلایل زیر، این گونه نمی باشد:
اشتعال گاز به صورت یک دفعه انجام نمی‌گیرد و عمل سوختن ۰. ۰۰۳ ثانیه طول می کشد و در این مدت حجم سیلندر به واسطۀ پائین آمدن پیستون تغییر می کند.
با حرکت پیستون و ازدیاد حجم سیلندر، منحنی فشار احتراق عملاً به شکل منحنی خواهد بود. در این زمان، پیستون از بالاترین نقطه به طرف پایین حرکت کرده، به واسطه شاتون، میل لنگ را به گردش درمی آورد. تنها کورس مفید موتور، همین کورس احتراق می باشد. در این کورس هر دو سوپاپ بسته می مانند.
مرحله چهارم: کورس تخلیه (خروج دود)
پیستون از پایین ترین نقطه به طرف بالا حرکت میکند و با باز شدن سوپاپ دود، دودهای حاصل از احتراق، موتور را ترک می کنند.
از نظر عملی سوپاپ دود کمی قبل تر از رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین، شروع باز شدن می کند تا عمل تخلیه در فرصت بیشتری انجام شود. به طوری که وقتی پیستون تغییر جهت داده و به طرف بالا حرکت می کند مقدار دود خروجی به حداکثر می رسد.
همچنین زمان بسته شدن سوپاپ دود را طوری طراحی کرده اند که پس از کورس تخلیه کمی باز بماند تا عمل تخلیه کامل تر صورت پذیرد. ممکن است تصور شود که با باز بودن سوپاپ دود و پایین رفتن پیستون در زمان مکش، دود به داخل سیلندر کشیده می شود. ولی چنین نیست؛
زیرا دود از مدتی قبل حرکت کرده و در اثر ازدیاد فشار داخل سیلندر نسبت به خارج، سرعت و انرژی لازم را به دست آورده است؛ به علاوه گاز ورودی سنگین تر از دود می باشد.
پس از طی شدن این چهار مرحله که در دو دور چرخش میل لنگ انجام شده است. یک چرخه موتور چهار زمانه انجام شده است. و برای ادامه یافتن تولید توان این چرخه دوباره به ترتیب فوق و از مرحله اول از سر گرفته می‌شود.
لازم به ذکر است که اکثر موتورهای امروزی بیش از یک سیلندر دارند که درکنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. لیکن این مراحل در همه آنها بصورت همزمان اتفاق نمی‌افتد. مثلا هیچ وقت ممکن نیست که در دو سیلندر عمل انفجار صورت گیرد. این امر به خاطر شکل بخصوص میل لنگ و نیز …. کار کردن موتور است.
