مکانیک خودرو تخصصی -بخش 03

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

همانگونه كه از نام موتورهای چهارزمانه، پيداست اين نوع موتورها با انجام چهار فرآيند يا چهار زمان و يا چهار كورس مختلف يك فرآيند كار يا قدرت توليد می‌كنند كه در ذيل به نحوه توليد قدرت توسط اين موتورها پرداخته می‌شود:

1-فرآيند يا كورس مكش (I)

مطابق شكل 1، در اين كورس حرکت، پيستون از TDC به BDC، به سمت پايين حركت كرده، سوپاپ ورودي يا سوپاپ هوا باز و سوپاپ دود یا خروجی بسته است. بنابراين با افزايش حجم بالاي پيستون، كاهش فشار ايجاد مي‌گردد و از اينرو سوخت و هوا با فشار اتمسفر به درون سيلندر وارد می‌شود.
كل اين فرآيند در 180 درجه از گردش ميل لنگ انجام مي‌شود و فشار مرحله مكش تقريباً 0/12 زير فشار اتمسفر است.

2-فرآيند يا كورس تراكم (C)

با توجه به شكل 1،در اين مرحله پيستون از BDC به TDC به سمت بالا حركت مي‌كند در حاليكه هر دوسوپاپ ورودي و خروجي بسته هستند، از اينرو حجم بالاي پیستون به تدريج كاهش يافته و فشار افزايش مي‌يابد. اين مرحله از عملكرد موتور چهار زمانه نيز در 180 درجه از گردش ميل لنگ نجام می‌شود و فشار در اين مرحله تقريباً بين 8 تا 14 بار است.

3-فرآيند احتراق، قدرت يا كار (P)

هنگامی كه پيستون در مرحله تراكم به نزديكي TDC می‌رسد شمع جرقه مي‌زند واز اين لحظه، فرآيند احتراق و توليد كار يا قدرت شروع می‌شود.
در اين مرحله مطابق شكل 1، هر دو سوپاپ بسته هستند و پيستون با فشار ناشي از احتراق سوخت و هوا از TDC به سمت BDC حركت می‌كند و اين فشار احتراق در سطح مقطع پيستون ضرب شده و نيرويی بدست می‌آيد كه از طريق شاتون به ميل لنگ منتقل مي‌گردد و باعث دوران ميل لنگ می‌شود.
فرآيند احتراق نيز در 180 درجه از گردش ميل لنگ صورت مي‌پذيرد و فشار احتراق از حدود 60بار هنگامي كه پيستون در TDC است شروع شده و درحوالي BDC به حدود 4بار می‌رسد.

4-فرآيند تخليه (E)

با توجه به شكل 1، در پايان زمان احتراق و هنگامي كه پيستون به نزديكي BDC مي‌رسد، سوپاپ هوا همچنان بسته مانده ولي سوپاپ دود باز مي‌شود. از طرفي پيستون نيز از BDC به سمت TDC حركت مي‌كند، بنابراين محصولات باقيمانده احتراق كه دود است بوسيله فشار دود و حركت پيستون به سمت TDC از سوپاپ دود خارج شده و از طريق لوله چند راهه يا مانيفولد دود به لوله اگزوز هدايت مي شود.از آنجاييكه دود خروجی دارای فشاری درحدود 2 تا5 بار می‌باشد و با توجه به اين كه ورود سيالات پر فشار به محيط كم فشار توليد سروصدا می‌كند، از اينرو دود خروجی را از مسير پر پيچ و خمي به نام انباره اگزوز عبور می‎دهند تا انرژی دود گرفته شده و با فشاری درحدود فشار اتمسفر به هوای محيط وارد شود.
البته در مسير دود خروجی ممكن است قطعه‌ای به نام مبدل كاتاليستی نيز وجود داشته باشد، كه وظيفه آن تبديل محصولات مضر احتراق ( مانند NOx , Co و …) به محصولات كم خطر ( مانند Co2 و …) است. اين مرحله نيز در 180 درجه از گردش ميل لنگ انجام می‌شود.
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 حجمی موتور يعنی تخليه بهتر دود و ورود بهتر هوا و سوخت به موتور در عمل، زمان مكش و تخليه را بيشتر در نظر مي‌گيرند و به عبارتی عملكرد موتور و سوپاپ‌ها را اصلاح می‌كنند.
از طرفي ملاحظه مي شود كه در 720 درجه از گردش ميل‌لنگ فقط يك كار توليد مي‌شود. اگر به وضعيت عملكرد سوپاپ‌ها توجه شود، مشاهده مي‌شود كه دردو دور اول گردش ميل‌لنگ، هر سوپاپ فقط يك بار باز و بسته مي‌شود بنابراین دور ميل‌بادامك يا ميل‌سوپاپ نصف دور ميل‌لنگ می‌باشد.
حجم محصور بین BDC و TDC را حجم مفید موتور گویند و غالب‌ترین پارامتر تاثیرگذار بر توان تولیدی موتور است. به طور مثال اگر یک موتور V شکل 6 سیلندر 3 لیتری در نظر گرفته شود به معنای آن است که حجم مفید هر کدام از سیلندرهای این موتور 500 سی سی است و نهایتا موتور 3000 سی سی یا موتور 3 لیتری را تشکیل می‌دهد و طبیعتا مصرف سوخت و توان تولیدی آن از موتور مثلا 2400 سی سی یا 2000 سی سی بیشتر است.
شکل 2 نمودار سیکل عملکردی موتور بنزینی که به سیکل اتو نیز معروف است نشان می‌دهد.

شکل2-نمودار سیکل اتو

همانگونه که ملاحظه می‌شود در این نمودار مسیر a تا b بیانگر کورس مکش، b تا c کورس تراکم، c تا d فرآیند احتراق، d تا e کورس تولید کار و e تا a بیانگر کورس تخلیه است. که جمع جبری سطح زیر نمودار هر کورس کار مفید این موتور را نشان می‌دهد که با توجه به شکل کار تولید با عبارت +W و کار مصرفی با عبارت -W نشان داده شده است و نهایتا از جمع جبری این دو مقدار، کار مفید موتور بدست می‌آید. بدیهی است که با افزایش حجم مفید موتور یعنی بسط نقاط e و b به سمت راست، سطح محصور بین نقاط زیاد شده و طبیعتا کار مفید موتور افزایش می‌یابد و از طرفی با افزایش نسب تراکم یعنی بسط نقطه d به سمت بالا نیز کار مفید موتور افزایش می‌یابد.
از آنجایی که فرآیند احتراق یعنی فرآیند بین نقاط e و d حدود 3 هزارم ثانیه طول می‌کشد و در این مدت میزان جابجایی پیستون نیز اندک است لذا به نظر می‌رسد که فرآیند احتراق در حالت حجم ثابت بودن ایجاد می‌شود و به همین دلیل به این موتورها، موتور حجم ثابت گفته می‌شود. در حالیکه در موتورهای دیزل مطابق شکل 3 با حرکت پیستون در زمان تولید کار به سمت پایین، تزریق سوخت تا مدتی که احتراق وجود دارد استمرار داشته و بنابراین برای مدتی فشار داخل سیلندر ثابت می‌ماند و به همین دلیل به این موتورها، موتورهای فشار ثابت گفته می‌شود.

شکل 3-نمودار سیکل دیزل

اگر نمودار P-V که فشار داخل سیلندر بر حسب حجم سیلندر است را به صورت نمودار فشار داخل سیلندر بر حسب زاویه گردش میل‌لنگ تبدیل کنیم، نمودار شکل 4 بدست می‌آید.

شکل 4-نمودار فشار داخل سیلندر بر حسب زاویه گردش میل‌لنگ

محور عمودی این نمودار فشار داخل سیلندر است که البته دارای شکستگی و اغتشاشات زیادی است و در این تصویر اغتشاشات آن حذف شده است تا نموداری مشتق‌پذیر حاصل شود. اگر در سطح مقطع پیستون ضرب شود، نیروی وارد بر پیستون را ایجاد می‌کند و اگر این مقدار نیرو در شعاع لنگ میل‌لنگ ضرب شود، گشتاور تولیدی موتور را ایجاد می‌کند که از طریق کلاچ وارد گیربکس می‌شود. این مقدار گشتاور در نسبت دنده‌های گیربکس و دیفرانسیل ضرب می‌شود و از طریق پلوس‌ها به چرخ‌های محرک و جاده منتقل می‌شود. این نمودار دو مشکل ذاتی به شرح زیر دارد:
تغییرات بین مقدار حداقل و حداکثر فشار داخل سیلندر زیاد است.
نمودار متقارن نیست و در برخی نقاط همانند نقطه جرقه‌زنی و فشار حداکثر، بعضا نمودار دچار تغییرات شدید می‌شود که مشتق‌پذیری نمودار را دچار مشکل می‌کند و شکست قطعات مکانیکی که در معرض این تغییرات هستند شامل پیستون، شاتون، میل‌لنگ، کلاچ، قطعات گیربکس، میل‌گاردان، قطعات دیفرانسیل، پلوس، رینگ، تایر و جاده را در پی خواهد داشت.
لذا در صورت بهره‌برداری از این نمودار، شکست قطعات مکانیکی موتور، خط انتقال قدرت و تخریب تایر و جاده را در پی خواهد داشت. بدین منظور از روش‌های زیر به منظور بهبود خصوصیات این نمودار استفاده می‌شود:
استفاده از فلایویل باعث می‌شود که اینرسی میل‌لنگ زیادتر شود و علی‌رغم کند شدن عملکرد دینامیکی موتور، وجود فلایویل باعث می‌شود که بخشی از انرژی مرحله تولید کار در فلایویل ذخیره شود و در زمان‌های دیگر به سیستم باز پس داده شود تا ضمن پایداری در حرکت دورانی، ارتعاشات و نوسانات موتور هم کاهش یابد. بدیهی است هر چقدر ممان اینرسی فلایویل کمتر باشد، ارتعاشات موتور بیشتر شده ولی موتور چابک‌تر خواهد بود.
شکل 5 نحوه اتصال فلایویل به میل‌لنگ را نشان می‌دهد.

1-میل‌لنگ 2-چرخ دندانه‌دار سنسور دور موتور 3-فلایویل
شکل5-نصب فلایویل روی میل‌لنگ

بايد توجه کرد كه ميزان ذخيره و باز پس‌دهی انرژی توسط فلايويل به ممان دوم سطح يا ممان اينرسی فلايويل بستگي دارد كه از رابطه 1 بدست می‌آيد:

I : ممان اينرسي يا ممان دوم سطح
r : شعاع المان جرم از مركز
dm : جرم المان جرم
با توجه به رابطه 1 ملاحظه می‌شود 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.

موتور ایده‌آل موتوری است که در این 720 درجه، بی‌نهایت احترق وجود داشته باشد که از متصل کردن این بی‌نهایت نقطه به یکدیگر، فشار داخل سیلندر تبدیل به یک خط صاف و بدون تغییر کند که در این صورت موتور باید دارای بی‌نهایت سیلندر باشد که البته امکان‌پذیر نیست ولی به عنوان یک اصل کلی، هر چقدر تعداد سیلندرهای موتور زیادتر باشد، نمودارهای احتراق با یکدیگر تلاقی و تداخل بیشتری ایجاد کرده و میزان نوسانات گشتاور تولید موتور کاهش می‌یابد و بنابراین موتور نرم‌تر کار می‌کند. به طور کلی مطابق شکل 6 موتورهای 4 سیلندر بسیار متداول هستند که در 720 درجه شاهد تولید 4 نمودار تولید توان هستیم.

شکل 6-تاثیر تعداد سیلندر بر عملکرد موتور

هر چقدر دور موتور بالاتر باشد، تعداد احتراق‌های بیشتر در واحد زمان تولید می‌شود و از طرفی با افزایش دور موتور زمان به اندازه کافی برای انتقال ارتعاشات به قطعات مختلف وجود ندارد و لذا ارتعاشات موتور کاهش می‌یابد. شاید این موضوع بتواند پاسخگوی دلیل دور آرام یا دور هرزگردی موتور باشد که چرا دور آرام یک موتور به طور مثال حدود 800 دور بر دقیقه است و اگر این عدد خیلی کم شود چه مشکلاتی را برای موتور ایجاد خواهد کرد. به طور مثال یک موتور تک سیلندر چهار زمانه در دور 1000، در هر دقیقه 500 بار احتراق انجام می‌دهد در حالیکه موتور دو سیلندر 1000 بار، موتور سه سیلندر 1500 بار، موتور چهار سیلندر 2000 بار و موتور 6 سیلندر 3000 بار احتراق انجام می‌دهد و طبیعتا با افزایش تعداد احتراق‌ها در واحد زمان، همپوشانی نمودارها بیشتر شده و توان خروجی موتور یکنواخت‌تر می‌شود.
شكل 7 نيز شماتيك عملكردی يك موتور چهارزمانه چهارسيلندر را نشان می‌دهد.

شکل7-موتور چهار زمانه چهار سیلندر

با توجه به شكل 3 ملاحظه می‌گردد، كه پيستون سيلندرهای يك و چهار دارای فاز حركت يكسان و پيستون‌های دو و سه نيز دارای فاز حركتی يكسان می‌باشند. مشاهده می‌شود كه هر كدام از سيلندرها، فرايندخاصي را انجام می‌دهند، 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 سيلندرهای ديگر دارای نظم خاصی است، مثلا در موتورهاي چهار زمانه خطی چهارسيلندر از ترتيب احتراق 2-4-3-1 استفاده می‌شود.
يعني ابتدا سيلندر يك، سپس سه، بعد از آن سيلندر چهار و در نهايت سيلندر دو توليد قدرت می‌كند و اختلاف فاز توليد قدرت در هر كدام از سيلندرها نسبت به سيلندر بعدی به ترتيب احتراق90درجه است.
جدول 2 عملكرد يك موتور چهارسيلندر خطی چهارزمانه را به ترتيب احتراق 2-4-3-1 نشان می‌دهد.

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