پیشرانه احتراق داخلی پیستونی چیست و چگونه کار می کند؟

فناوری های استفاده شده در پیشرانه اتومبیل ها در طول تاریخ صنعت خودروسازی دچار تغییرات فراوانی شده است اما یکی از سیستم های ماندگار در این صنعت موتورهای احتراق داخلی یا درون سوز بوده است. با گذشت زمان و حتی تولید موتور های احتراق خارجی، هنوز می توان خودرو های درون سوزی را دید که به صورت انبوه در حال تولید هستند. پدر تمام موتورهای احتراق داخلی را می توان نیکلاس آگوست اتو دانست که در سال ۱۸۷۶ اولین نمونه از موتورهای احتراق داخلی را اختراع کرد. بر اساس گفته این مهندس آلمانی، مکانیزم این موتور درون سوز از روی دستگاه بخار جیمز وات الهام گرفته شده بود.

پیشرانه طراحی شده توسط آگوست اتو قادر بود چهار مرحله مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را به صورت مداوم انجام دهد. البته آن زمان موتورهای احتراق داخلی هنوز مناسب خودرو ها نبودند، زیرا با افزایش میزان سوخت فرم احتراق ها به انفجار تغییر می کرد و خیلی سریع موتور دچار سوختگی می شد. سال ها بعد جوزف دی اقدام به ساخت موتور درون سوز دو مرحله ای کرد و این موتور توانست مشکل اشتعال پیشرانه چهار مرحله ای اتو را برطرف کند. موتور دو زمانه به شکل رفت و برگشت عمل می کرد . در موتور طراحی شده توسط جوزف دی، مراحل انفجار، دم و بازدم به عنوان یک مرحله و ترکیب تخلیه و تراکم به عنوان مرحله بعدی صورت می گرفت. این موضوع باعث می شد انفجار صورت گرفته جدا از فرایند تخلیه انجام شود و احتراق گسترش پیدا نکند. موتور های درون سوز یا در واقع بهتر است بگوییم خودرو های احتراق داخلی در طول سالیانه متمادی دچار تغییرات فراوانی شده اند و مخترعان زیادی اقدام به ایجاد تغییر فرم در مکانیزم اینگونه پیشرانه ها کرده اند.

موتور احتراق داخلی چیست؟

موتورهای احتراق داخلی به عنوان موتورهای حرارتی طبقه بندی می شوند. در این موتورها احتراق مخلوط هوا و سوخت در داخل موتور، در یک محفظه احتراق اتفاق می افتد. مقداری از گازهای سوخته بخشی از چرخه احتراق جدید هستند. در واقع موتور احتراق داخلی انرژی حرارتی مخلوط هوا و سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. به این نوع موتور، 4 کورس هم گفته می شود زیرا برای اجرای سیکل احتراق کامل، پیستون به 4 کورس نیاز دارد. در اصل نام کامل موتوری که خودروی سواری را حرکت می دهد، موتور احتراق داخلی پیستونی 4 زمانه یا به اختصار ICE (موتور احتراق داخلی) است

موتور احتراق داخلی چگونه کار می کند؟

احتراق که سوختن هم نامیده می شود، فرآیند شیمیایی برای آزادسازی انرژی از ترکیب سوخت و هوا است. در موتور احتراق داخلی (ICE)، احتراق سوخت در خود موتور اتفاق می افتد. در نتیجه موتور با انرژی حاصل از احتراق شروع به کار خواهد کرد. موتور از یک سیلندر ثابت و یک پیستون متحرک تشکیل شده است. گازهای احتراق در حال انبساط به پیستون فشار وارد می کنند تا میل لنگ را بچرخاند. درنهایت از طریق سیستم دنده ها در پیشرانه، حرکت چرخ های خودرو شروع می شود.

امروزه دو نوع موتور احتراق داخلی در حال تولید هستند. این دو نوع شامل موتور بنزینی با احتراق جرقه ای و موتور دیزلی با احتراق تراکمی می شود. بیشتر اینها موتورهای چرخه چهار زمانه هستند که در سیستم آن ها برای تکمیل چرخه به چهار کورس پیستون نیاز است. این چرخه شامل چهار فرآیند مختلف مکش هوای موتور، فشرده سازی، احتراق، سیکل احتراق و اگزوز می شود.

موتورهای دیزلی با اشتعال جرقه ای، از نظر نحوه تامین و احتراق سوخت با سیستم های احتراق تراکمی متفاوت هستند. در موتور جرقه ای، سوخت با هوا مخلوط شده و طی فرآیند مکش به داخل سیلندر وارد می شود. پس از این که پیستون مخلوط سوخت و هوا را فشرده می کند، جرقه آن را مشتعل کرده و احتراق شروع می شود. انبساط گازهای حاصل از احتراق، پیستون را در حین سیکل احتراق فشرده می کند. در موتورهای دیزلی هوا به موتور وارد و سپس فشرده می شود. موتورهای دیزلی سوخت را با سرعت مناسب و اندازه گیری شده به هوای فشرده داغ می پاشند و باعث مشتعل شدن آن می شوند.

مدل های پیشرانه احتراق داخلی پیستونی

موتور های احتراق داخلی پیستونی چند مدل رایج دارند که عبارتند از:

• آرایش خطی (۲، ۳، ۴، ۵ و ۶ سیلندر)
• طراحی V شکل یا خورجینی (۸، ۱۰، ۱۲، ۱۶، ۱۸، ۲۰ و ۲۴ سیلندر)
• آرایش W شکل
• چیدمان تخت یا باکسرآرایش تخت یا باکسر ( همان v شکل است با این تفاوت که زاویه قرارگیری بین سیلندرها به ۱۸۰ درجه می رسد.)
• موتورهای چرخان

اجزای اصلی پیشرانه احتراق داخلی پیستونی

• بلوک سیلندر
• سرسیلندر
• پیستون ها
• شاتون ها
• میل لنگ
• میل بادامک
• سوپاپ ها
• تسمه یا زنجیر تایم

اصطلاحات فنی در پیشرانه خودرو

موتورهای احتراق داخلی پیستونی، انواعی هستند که به کمک احتراق مخلوط سوخت و هوا که درمحفظه ی بسته ای صورت می گیرد، پیستون را به حرکت خطی رفت و برگشتی وا می دارند. البته در موتورهایی که بیش از یک پیستون دارند، حرکت برگشت معلول حرکت رفت پیستون دیگر، به واسطه ی قطعه ای به نام "میل لنگ" است. حرکت رفت و برگشتی پیستون ها (معادل فارسی: استوانک) به کمک میل لنگ (Crankshaft) به حرکت دورانی تبدیل شده و از طریق چرخ طیار ( فلایویل یا Flywheel) به جعبه دنده (گیربکس) منتقل شده و از سپس به دیفرانسیل (Differential) و در نهایت به چرخ ها انتقال می یابد.برای بررسی پیشرانه باید چندین اصطلاح فنی مهم در نظر گرفته شود که به شرح زیر می باشد:

توان موتور

توان موتور سرعت انجام کار است که با واحد وات یا کیلووات یا اسب بخار (یک اسب بخار معادل 75 کیلوگرم بار می باشد که در مدت زمان یک ثانیه جابجا می شود) نمایش داده می شود و نباید با نیرو اشتباه گرفته شود. هر اسب بخار معادل 736 وات و هر کیلووات تقریبا 1.33اسب بخار است. به این معنی که اگر توان یک موتور 100 کلیووات باشد، معادل 133 اسب بخار خواهد بود.

گشتاور

گشتاور یک کمیت برداری است، یعنی دارای جهت است. بنابراین در اثر اعمال نیرو برای چرخش جسم حول یک محور را گشتاور می گویند و واحد ان نیوتن بر متر است.برای نمونه وقتی برای باز کردن پیچ به آچار نیرو وارد می کنید، پیچ خلاف جهت عقربه های ساعت در راستای نیرو دست به حرکت درآمده و می چرخد. به این عمل گشتاور گفته می شود.

گشتاور = نیرو (برحسب نیوتن) × بازوی اعمال نیرو (طول برحسب متر)

در پیشرانه توان و گشتاور روی شاسی دینامومتر اندازه گیری و راستی آزمایی می شود و در یک دور موتور به بیشترین توان و گشتاور می رسد. برای مثال ۳۰۰۰ RPM برای گشتاور و ۴۵۰۰۰RPM برای توان موتور در خودروهای سواری اگر گشتاور بالا باشد، در شتاب اولیه و سبقت تاثیر زیادی دارد و در صورتی که توان بالا باشد، برای رسیدن به سرعت های بالا بسیار حائز اهمیت می باشد. لازم به ذکر است در خودروها نسبت دنده های گیربکس نیز عامل تأثیرگذار خواهد بود.

تعریف کار

اگر به جسمی نیرو وارد شود و ان جسم به حرکت درآید، کار انجام شده است. در پیشرانه خودرو با احتراق مخلوط سوخت و هوا، ناگهان دود تولید می شود و افزایش حجم گاز موجب حرکت پیستون و ایجاد کار مکانیکی می گردد. بنابراین می توان کار را به صورت رابطه زیر نمایش داد: کار = نیرو × حرکت یا در خودرو انتگرال فشار ضرب در دیفرانسیل حجم

سیستم کنترل کشش خودرو (TCS) چیست و چگونه کار می کند؟