مکانیک خودرو -بخش 02

نحوه عملكرد موتور چهارزمانه

اين نوع موتورها با توجه به شکل 1 با انجام چهار فرآيند(زمان یا کورس) مختلف يك فرآيند كار يا قدرت توليد می‌کنند كه در ذيل به نحوه توليد قدرت توسط اين موتورها پرداخته می‌شود.

1-سوپاپ دود2- شمع جرقه3- سوپاپ هوا4-سيلندر5- پيستون 6- شاتون 7- ميل لنگ 8- كارتل 9-کورس حرکت پیستون
شکل 1-چهار زمان عملکردی موتور چهارزمانه بنزینی

به طور خلاصه نحوه عملكرد موتور چهارزمانه مطابق جدول 1 است.

جدول1-خلاصه عملکرد موتور چهار زمانه

همانگونه كه در جدول 1 ملاحظه می‌شود برای افزايش راندمان حجمي موتور يعني تخليه بهتر دود و ورود بهتر هوا و سوخت به موتور در عمل، زمان مكش و تخليه را بيشتر در نظر می‌گيرند و به عبارتی عملكرد موتور و سوپاپ‌ها را اصلاح می‌كنند.
از طرفي ملاحظه می‌شود كه در 720 درجه از گردش ميل‌لنگ فقط يك كار توليد مي‌شود. اگر به وضعيت عملكرد سوپاپ‌ها توجه شود، مشاهده می‌شود كه در دو دور اول گردش ميل‌لنگ، هر سوپاپ فقط يك بار باز و بسته مي‌شود بنابراین دور ميل‌بادامك يا ميل‌سوپاپ نصف دور ميل‌لنگ می‌باشد.
بايد توجه نمود كه مقداري از انرژي احتراق صرف ايجاد مراحل ديگر موتور چهارزمانه مي‌شود. به عبارتي ديگر موتور چهارزمانه فقط در يك فرآيند توان توليد مي‌كند و در سه فرآيند ديگر توان مصرف مي‌كند. از اينرو مطابق شکل 2 با نصب فلايويل به انتهاي ميل‌لنگ مقداري از انرژي ناگهاني ايجاد احتراق در فلايويل و ميل‌لنگ ذخيره شده و صرف انجام سه فرآيند ديگر مي‌شود، بنابراين با انجام فقط يك فرايند احتراق، موتور روشن شده و فرآيندهاي بعدي به صورت پي در پي انجام مي‌شوند.

1-میل‌لنگ 2-چرخ دندانه‌دار سنسور دور موتور 3-فلایویل
شکل2-نصب فلایویل روی میل‌لنگ

از طرفي بايد توجه کرد كه ميزان ذخيره و باز پس‌دهي انرژي توسط فلايويل به ممان دوم سطح يا ممان اينرسي فلايويل بستگي دارد كه از رابطه 1 بدست می‌آيد:

با توجه به رابطه 1 ملاحظه مي‌شود كه ممان اینرسی با توان دومr رابطه مستقیم دارد درحاليكه با توان اول جرم توان نیز رابطه مستقیم دارد، ازاينرو تغییر شعاع به مراتب تاثیر بیشتر از تغيير جرم در ممان اینرسی فلایویل دارد و باعث تغییر در عملکرد موتور می‌شود بطوریکه با كاهش I، شتاب دورانی، لرزش و ارتعاشات موتور افزايش مي‌يابد و با افزایش I شتاب دوراني، لرزش و ارتعاشات آن كاهش می‌يابد.
از آنجاييكه دود خروجی داراي فشاري درحدود 2 تا 5 بار است و با توجه به اين كه ورود سيالات پر فشار به محيط كم فشار توليد سروصدا می‌كند، از اينرو دود خروجي را از مسير پر پيچ و خمي به نام انباره اگزوز عبور مي‌دهند تا انرژي دود گرفته شده و با فشاري درحدود فشار اتمسفر به هواي محيط وارد شود.
البته در مسير دود خروجي، قطعه اي به نام مبدل كاتاليستی نيز وجود دارد، كه وظيفه آن تبديل محصولات مضر احتراق مانند HC، CO، NOx و غیره به محصولات كم خطر (مانند CO2 و …) است.
شكل 3 نيز شماتيك عملكردی يك موتور چهارزمانه چهارسيلندر را نشان می‌دهد.

شکل3-موتور چهار زمانه چهار سیلندر

با توجه به شكل 3 ملاحظه می‌گردد، كه پيستون سيلندرهاي يك و چهار داراي فاز حركت يكسان و پيستون‌های دو و سه نيز دارای فاز حركتي يكسان مي‌باشند. مشاهده مي‌شود كه هر كدام از سيلندرها، فرايندخاصي را انجام مي دهند، مثلا هنگامی که سيلندر يك در حال مكش باشد، سيلندر دو تراكم، سيلندر سه قدرت و سيلندر چهار درحال انجام تخليه است.، از اینرو بخاطر ايجاد بالانس ديناميكي ميل‌لنگ و اعمال بار تقریبا متقارن به ميل‌لنگ از ترتيب احتراق استفاده مي‌شود. به اين معنا كه روند انجام فرآیند چهارگانه در هر سيلندر نسبت به سيلندرهاي ديگر داراي نظم خاصی است، مثلا در موتورهاي چهار زمانه خطی چهارسيلندر از ترتيب احتراق 2-4-3-1 استفاده مي‌شود.
يعني ابتدا سيلندر يك، سپس سه، بعد از آن سيلندر چهار و در نهايت سيلندر دو توليد قدرت مي كند و اختلاف فاز توليد قدرت در هر كدام از سيلندرها نسبت به سيلندر بعدي به ترتيب احتراق90درجه است.
جدول 2 عملكرد يك موتور چهارسيلندر خطی چهارزمانه را به ترتيب احتراق 2-4-3-1 نشان مي‌دهد.

جدول 2-عملكرد سيلندرهای مختلف موتور چهارزمانه چهارسيلندر به ترتيب احتراق

موتور دوار نوع وانكل

يكي از معروفترين طرح‌های موتور دوار، طرح وانكل است در موتوروانكل حركت رفت و برگشتي پيستون حذف شده است و بنابراين محدودیت دور موتور کاهش یافته است. به لحاظ طرح خاص آن در هر دور، سه فرآيند احتراق ایجاد می‌شود، در حاليكه در موتورهای چهارزمانه پيستونی در هر دو دور ميل‌لنگ، يك فرآيند قدرت ایجاد می‌شود.
شكل 4 شماتيك موتور وانكل را نشان می‌دهد.

1-روتور 2-محور خروجي 3-پوسته موتور
شكل 4-شماتيك موتور وانكل

شكل 5 نيز مراحل عملكرد موتور وانكل را نشان می‌دهد.

4-1مرحله مكش 7-5 مرحلة تراكم 8-10 مرحلة احتراق 11-1 مرحله تخليه
شكل5-مراحل عملكرد موتور وانكل

همانگونه كه ملاحظه مي شود، با دوران روتور درجهت عقربه ساعت فضاي بين نقاط A تا C طي مراحل 1 تا 4 به تدریج زيادتر شده و فشار آن منطقه كاهش می‌يابد و با توجه به متصل بودن اين قسمت به مانيفولد ورودی، هوا و سوخت به اين قسمت جريان پيدا می‌كند. در همين حال فضاي بين نقاط A تا B به تدریج كاهش حجم داشته و فشار در اين قسمت افزايش مي‌يابد، بنابراين سوخت و هوای موجود در اين قسمت، که قبلاً وارد این منطقه شده است، متراكم می‌گردد.
بعد ازاينكه حجم محدود بين نقاط A تا B به حداقل ممكن رسيد، شمع جرقه زده و سوخت و هوا محترق مي‌شود. از اين رو در فضاي بين نقاط A تا B افزايش فشار ناگهاني ايجاد شده و این فشار ناگهاني به سطح جانبی روتور كه بين نقاط A تا B محصور شده است، اعمال شد ، كه منجر به توليد كار و توان می‌گردد.
در همين شرايط فضاي بين نقاط B تا C به مانيفولد دود راه پيدا كرده و بنابراين دود موجود در فضاي B تا C که قبلاً تولید شده است، خارج می‌شود.
ملاحظه مي گردد كه در يك دور هر كدام از فرآيندها سه بار تكرار مي شود، بنابراین در هر دور روتور سه فرآیند مکش، سه فرآیند تراکم، سه فرآیند احتراق و سه فرآیند تخلیه وجود خواهد داشت، از این رو توان تولیدی این نوع موتور در مقابل موتور چهار زمانه که در هر دو دور فقط یک فرآیند احتراق دارد با ثابت فرض کردن تمامی پارامترها، شش برابر خواهد بود.
یکی از معایب موتورهای پیستونی، محدودیت تعداد دوران میل لنگ به لحاظ وجود قطعات رفت و برگشتی مانند پیستون، سوپاپ و غیره است. وجود این قطعات باعث می شود که چنانچه، دور موتور از حد مشخصی زیادتر شود، انرژی جنبشی در وسط کورس پیستون و نیروی اینرسی در حوالی نقاط BDC و TDC زیاد شده و باعث شکستن شاتون می گردد و اصطلاحاً در این مورد عبارت “موتور شاتون زده است” به کار برده می شود. از این رو در موتورهای وانکل، به دلیل حذف پیستون و استفاده از فاصله خارج از مرکز بودن روتور نسبت به محور موتور، محدودة دور آن وسیع تر می گردد.
معایب عمدة موتورهای وانکل که باعث عدم فراگیر شدن این نوع موتور شده است، به شرح زیر است:

1. وجود گوشه‌های تیز روی روتور که عمل آب‌بندی و جداسازی سه منطقة روتور از یکدیگر را مشکل می‌کند.
2. روغنکاری بین محل تماس رینگ‌های واقع در گوشه‌های روتور و بلوکة موتور دشوار و پیچیده است.
3. وجود دو سطح کاملاً مسطح، بین روتور و درپوش پشت و جلوی روتور که آب‌بندی و جلوگیری از خروج مخلوط سوخت و هوای فشرده شده یا محترق شده را سخت می‌کند.
4. وجود پروفیل منحنی خاص، برای سطح خارجی روتور و سطح داخلی بلوکه موتور که استاتور روی آن به صورت مماسی حرکت می‌کند. طراحی و ساخت قطعات با این نوع منحنی مشکل بوده و هزينة طراحی و ساخت را افزایش می‌دهد.
5. بلوکه موتور در معرض سه محدوده دمایی مختلف است. قسمتی از بلوکه همواره در معرض دمای هوا و سوخت ورودی، قسمت دیگر همیشه در معرض حرارت ناشی از احتراق سوخت و هوا و قسمت سوم در معرض دمای دود خروجی است. از این رو طراحی و ساخت بلوکه موتور به نحوی که در معرض این سه محدوده دمایی باشد ولی دچار مشکل نشود، سخت بوده و باعث افزایش هزینه طراحی و تولید می‌گردد.
6. نگهداری و تعمیرات این نوع موتور پیچیده بوده و هزینه آن زیاد است.