موتورهای احتراقی

معرفی عمومی و اساس کار

نقش موتورها در پیشرفت صنعت را نمی‌توان نادیده گرفت. موتور‌ احتراقی یکی از مهم‌ترین تحولات در صنعت بود. در مورد صنعت خودرو باید گفت که عملاً این صنعت با ظهور موتورهای احتراقی شروع شد و ادامه پیدا کرد.
اگرچه در ساله‌های اخیر بحث جایگزینی موتورهای احتراقی با موتورهای الکتریکی به‌صورت جدی مطرح شده است و قطعاً آینده صنعت خودرو سواری به سمت موتورهای الکتریکی خواهد رفت؛ اما هنوز هم بخش‌های دیگر صنعت بزرگ خودرو مانند صنایع هوایی، دریایی و ریلی هنوز تحت‌تأثیر موتور های احتراقی خواهند بود.
در این مقاله به‌صورت عمومی انواع موتور احتراقی و تفاوت موتورهای احتراق داخلی و احتراق خارجی  بیان می‌شود.

اساس کار موتور‌ احتراقی

اساساً موتور وسیله‌ای است که انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌کند و موتور احتراقی، مجموعه‌ای است که انرژی شیمیایی سوخت را با استفاده از احتراق به انرژی حرارتی تبدیل می‌کند تا بتواند کار مکانیکی ایجاد کند. (شکل 1)

شکل 1 – تبدیل انرژی در موتورهای احتراقی

انواع موتور احتراقی

در حالت کلی، موتورهای احتراقی باتوجه‌به محلی که احتراق در آن صورت می‌گیرد به دو دسته کلی موتورهای احتراق داخلی و موتورهای احتراق خارجی تقسیم‌بندی می‌شوند. (شکل2 )

شکل 2- تقسیم‌بندی کلی موتور های احتراقی

موتور احتراق خارجی (برون‌سوز)

موتور احتراق خارجی یا برون‌سوز (ECE یا EC) با نام لاتینEngine External Combustion نمونه‌ای از موتور است که در آن سیالِ عامل داخلی، توسط انرژی حاصل از احتراق یک سیال دیگر، گرم شده و انرژی حاصل از احتراق به سیال عامل داخلی منتقل می‌شود و طی یک چرخه ترمودینامیکی، کار مکانیکی، توسط سیال عامل داخلی انجام می‌گردد، مانند موتور بخار. (شکل3 )

1-سوخت 2- دیگ بخار 3- سیال (بخار) 4- دریچه کشویی 5- دودکش
6- سیلندر 7- بخار (عامل حرکت پیستون) 8- پیستون 9- چرخ 10- مکانیزم اهرم‌بندی تبدیل‌کننده حرکت خطی به حرکت دورانی
شکل 3– شماتیک عملکرد موتور بخار

به عبارت ساده در موتورهای احتراق خارجی، انرژی شیمیایی سوخت در خارج از موتور به انرژی حرارتی تبدیل شده و انرژی حرارتی جهت تولید نیروی مکانیکی به موتور انتقال داده می‌شود.

موتورهای احتراق داخلی (درون‌سوز)

موتور احتراق داخلی یا موتور درون‌سوز ICE) یا (IC با نام لاتین Internal Combustion Engineاست و به موتورهایی گفته می شود که سوخت در داخل محفظه موتور سوزانده می شود و عمل تبديل انرژی بطور کامل درون محفظه احتراق رخ می دهد.
اولین تجربه کارآمد و قابل‌ذکر در زمینه ساخت موتورهای احتراق داخلی در سال 1876 میلادی اتفاق افتاد. در این سال یک مخترع آلمانی به نام نیکلاوس اتو برای اولین بار موفق شد که یک موتور احتراق داخلی چهارزمانه را به ثبت برساند، در مکانیزم این موتور درون سوز از دستگاه بخار جیمز وات الهام گرفته شده بود.
پیشرانه طراحی شده توسط اتو، قادر بود چهار مرحله مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را به صورت مداوم انجام دهد. (شکل4 )

1-مرحله مکش 2- مرحله تراکم 3- مرحله انفجار 4- مرحله تخلیه
شکل 4- مراحل کاری موتور احتراق داخلی (چهارزمانه)

در ابتدای اختراع موتورهای احتراق داخلی، این نمونه از موتورها، هنوز مناسب خودروها نبودند، زیرا با افزایش میزان سوخت، فرم احتراق به انفجار تغییر می‌کرد و خیلی سریع موتور دچار سوختگی می‌شد، اما به‌تدریج این مشکل مرتفع شد.
در سال‌های بعد و تاکنون، مدل‌های مختلف و انواع پیشرفته‌تری از موتورهای احتراق داخلی ساخته شده که ساختمان اصلی آنها با نمونة اولیه، مشابهت‌های زیادی دارند.

تفاوت موتور‌ احتراقی داخلی و خارجی

برخی از تفاوت بین موتور احتراق داخلی و موتور احتراق خارجی به شرح زیر است:

• در موتور احتراق داخلی، سوخت، درون سیلندر محترق می‌شود، درحالی‌که در موتور احتراق خارجی، احتراق سوخت در خارج از سیلندر کار انجام می‌شود.
• موتور احتراق خارجی برای انتقال انرژی، به دیگ بخار و سایر اجزا نیاز دارد که باعث سنگین شدن آن می‌گردد، اما موتور احتراق داخلی به دیگ بخار و … احتیاج ندارد، بنابراین موتورهای احتراق داخلی نسبت به احتراق خارجی، سبک‌تر هستند و به فضای کمتری احتیاج دارند.
• شروع به کار موتور احتراق داخلی نسبت به احتراق خارجی، آسان‌تر و سریع‌تر است.
• موتور احتراق داخلی دارای راندمان حدود ۳۵-۴۵٪ است و موتور احتراق خارجی حدود ۱۵-۲۵٪ راندمان دارد.
• هزینه سرمایه موتور احتراق داخلی نسبت به موتور احتراق خارجی کمتر است.
• توان تولید شده در موتور احتراق داخلی در واحد وزن در مقایسه با توان تولید شده در موتور احتراق خارجی بیشتر است.
• هزینه سوخت موتور‌ احتراقی داخلی نسبت به احتراق خارجی بیشتر است.

نمونه‌هایی از انواع موتور‌ احتراقی داخلی و خارجی

همانطور که در مقاله انواع موتورهای احتراق داخلی و خارجی اشاره شده، موتورهای احتراقی انواع مختلفی دارند که در شکل شماره 5، نمونه‌هایی از انواع موتورهای احتراق داخلی و احتراق خارجی نمایش‌داده‌شده است.

شکل 5- نوعی طبقه‌بندی چند نمونه از انواع موتور‌ احتراقی

در طول تاریخ صنعت خودروسازی، فناوری‌های مختلفی در پیشرانه خودروها استفاده شده است، اما یکی از سیستم‌های ماندگار و پرکاربرد در این صنعت، موتورهای احتراق داخلی یا درون‌سوز هستند. (شکل 6)

شکل 6 – نمونه‌ای از موتور‌ احتراقی داخلی مورداستفاده در خودرو

در مقالات بعدی به بررسی عملکرد و اجزاء موتورهای احتراق داخلیِ پیستونی دو زمانه و چهار زمانه و موتور وانکل خواهیم پرداخت.