چگونگی پیدایش و پیشرفت موتور

اولین طرح موتور احتراق داخلی را لئوناردو داوینچی در سال ۱۵۰۹ ترسیم نمود ولی هیچگاه نتوانست طرح خود را به مرحله اجرا درآورد . در سال ۱۶۷۳ اولین موتوری که به حرکت درآمد توسط کریستیان هویگنس ساخته شد.
در سال ۱۶۸۷ اولین موتور بخار توسط دنیس پاپن آزمایش شد.بر پایه همین موتور در سال۱۷۶۹ اولین اتومبیل كه با موتور بخار حركت می كرد ،تولید شد .طرح های اولیه دارای مشكلات بسیاری بود واكثرا پس از حركت منفجر می شدند.در سال ۱۸۲۶ سامول براون اتومبیلی ساخت كه مجهز به موتور احتراق داخلی ۴ سیلندر گاز سوز ،كه دارای قدرتی معادل ۴اسب بخار بود.
براون توانست اتومبیل ساخت خودرا به ثبت برساند ولی به علت نواقص بسیار ،امروزه این خودرو به عنوان اولین اتومبیل استاندارد شناخته نمی شود.در سال ۱۸۷۶ مهندس آلمانی كانت نیكولاس اتو موفق شد سیكل چهار زمان‌های را كه كه بوردو روشانس فرانسوی پیشنهاد كرده بود بصورت عملی بكار بیندازد كه تحولی عظیم در صنعت خودرو سازی جهان رخ داد .
اولین موتورواقعی به معنای امروزی در سال ۱۸۸۳ توسط گوتلیپ دایملر و ویلیام میباخ طراحی و تولید شد.سرعت دورانی این موتور ۹۰۰ دور در دقیقه بود كه تقریبا چهار برابر موتور ابداعی اتو بود.دوسال بعد یعنی در سال ۱۸۸۵ كارل بنز اولین اتومبیل جهان را كه سه چرخ داشت تولید نمود در همین سال اولین موتور سیكلت جهان توسط گوتلیپ دایملر ساخته شد.
دایملر اولین خودروی خود را در سال ۱۸۸۶ ساخت. در سال ۱۸۹۲ رودلف دیزل موفق شد موتور احتراق تراكمی را اختراع و با نام دیزل به ثبت برساند.در سال ۱۸۹۳ هنری فورد نخستین موتور بنزینی را در خانه خود ساخت وآن را در همان سال آزمایش نمود.در سال ۱۸۹۷ دكتر فردیناند پورشه اتومبیلی را كه مجهز به موتور الكتریكی بود طراحی نمود. در سال ۱۸۹۹ اولین اتومبیل برقی جهان با ۱۱۰ كیلومتر در ساعت سرعت توسط كامیل ژناستی ساخته شد.در همین سال اولین اتومبیل ۴ سیلندر توسط دایملر به بازار عرضه شد.در سال ۱۹۰۳ هنری فورد اولین كارخانه اتومبیل سازی جهان را با ۱۰ نفر پرسنل تاسیس كرد.
در سال ۱۹۰۸ كمپانی فورد مدلTراساخت وروانه بازار كرد كه در سالهای تولید ۱۵ میلیون عدد از این مدل فروخته شد.در سال ۱۹۱۲ اولین خودرو با موتور ۴ سوپاپ در كمپانی پژو ساخته شد. اولین موتور ۸سیلندر توسط كمپانی كادیلاك بر روی خودرو های تولیدی نصب شد.در سال ۱۹۳۶ فولكس بیتل طراحی وساخته شد وبیش از ۲۲ میلیون دستگاه از این خودرو در سراسر جهان فروخته شد.در سال ۱۹۴۰ اولین اتومبیل دو دیفرانسیل جهان توسط كمپانی ویلیز به نام جیپ به جهانیان معرفی شد ومورد استقبال بسیار قرار گرفت.در سال ۱۹۵۱ دكتر فلیكس وانكل موتور دورانی را اختراع كرد .
اولین سیستم سوخت پاش الكترونیكی(انژكتور)توسط كمپانی كرایسلر بروی خودرو های تولیدی نصب گردید. در سال ۱۹۹۸ كمپانی تویوتا اتومبیل دو رگه (هیبرید) طراحی نمود و آن را بانام پریوس به بازار عرضه كرد.ودر سالهای بعد كمپانی های مختلف سیستمهای بسیاری برای بهینه كردن موتورهای ساخت خود طراحی واجرا كردند مانند:سیستم متغیر باز وبسته شدن سوپاپها،موتورهای ۱۶ سیلندر با قابلیت تغییر به ۴،۸،۱۲سیلندر یكی از عیب‌های تبدیل خودروهای مایع سوز به گاز سوز افت قدرت است كه با تزریق مستقیم سوخت به داخل سیلندر (سیستم انژکتور injector ) و تحت نظر قرار دادن تمام رفتار موتور توسط ECU می‌توان تا حدودی این افت قدرت را جبران کرد.
یکی دیگر از دلایل افت قدرت موتورهای مایع سوز تبدیلی به گاز سوز به نوع و تکنولوژی کیت گاز سوز مورد استفاده بر می گردد . اغلب کیتهای ارزان قیمت باعث مسدود شدن نسبی مجاری ورودی شده و بازده حجمی موتور را بشدت کاهش می‌دهند که حتی این کیت‌ها به غیر از بقیه عوامل خود مستقلا باعث می شوند تا ۱۰ درصد توان موتور افت کند که به هیچ وجه قابل توجیه و اغماض نیست که این افت به سادگی با یکبار استفاده از بنزین و مقایسه دو حالت خود را نشان می دهد . بنا بر آنچه گفته شد افت کلی و نهایی استفاده از گاز طبیعی و ملحقات آنگاه تا ۲۰ در صد می رسد.
موتورهای بنزینی اتومبیلهای عادی با نسبت تراکمی در حدود ۸ الی ۵/۹ به یک و بازده ای در حدود ۴۷-۴۵ در صد کار می کنند اما در حالت واقعی بازده از این هم پایین تر است که خود موید آلودگی بسیار بالای این موتورهاست . اما گاز طبیعی می تواند با نسبت تراکمی در حدود ۱۵ به ۱ کار کند که در این حال بازده تا حدود ۶۰ درصد هم بالا می رود.
با افزایش نسبت تراکم می توان تا حدودی افت قدرت خروجی موتورهای گاز سوز را جبران کرد
اما به علت دمای بالای احتراق نباید تولید آلاینده های اکسید ازت (no x ) را فراموش كرد كه خود مسئله بسیار مهمی است .
●سوپاپ های سدیمی
یکی از عنصر هایی که با حرارت زیاد تماس مستقیم دارد سوپاپ است.و این تماس مستقیم با حرارت که گاهی ۱۳۰۰ درجه فارنهایت می‌رسد می‌تواند در عملکرد سوپاپ و عمر مفید آن تاثیر منفی شدیدی داشته باشد. به خصوص سوپاپ دود که تماس بیشتری با حرارت دارد.
در حالت عادی بر اساس قوانین ترمودینامیک می‌توان نتیجه گرفت که جایی که سطح تماس بیشتری دارد خنک‌تر می‌ماند و جایی که تماس کمتری دارد گرم تر با این تفسیر می‌شود نتیجه گرفت که گرم ترین ناحیه سوپاپ همان قسمت مرکزی است (همان جایی که ساق سوپاپ به تاج سوپاپ متصل می‌شود).
حال برای خنک کردن این قسمت از سوپاپ های سدیمی استفاده می‌شود . به این گونه که قسمت داخلی سوپاپ را تو خالی ساخته و داخلش را با نمک های فلزی هم مانندسدیم که دمای ذوب پایینی دارند پر می‌کنند و با اصطلاح این نوع سوپاپ ها را سدیمی می‌نامند.
سدیم در دمای ۹۷ درجه سیلسیوس به حالت مذاب در آمده و در اثر حرکت خطی رفت و برگشتی سوپاپ (و داشتن اینرسی سدیم مذاب شده) ماده سیال در داخل خود سوپاپ به بالا و پایین پریده و باعث انتقال گرمای سر سوپاپ به ساق سوپاپ می‌شود و به این ترتیب گرمای داغ ترین موضع سوپاپ به سدیم مذاب و سپس به ساق سوپاپ و گاید سوپاپ و بعد به مجاری خنک کاری سرسیلندر راه پیدا می‌کند و عمر سوپاپ بیشتر می‌شود و این طرح بخصوص در موتور های تند گرد استفاده دارد که دور موتور تا حد بسیار زیادی بالا می‌رود و این بالا رفتن دور باعث کاهش یافتن فرصت خنک کاری در موتور و اجزا می‌شود. مثل موتورهایی كه در اتومبیل های مسابقه‌ای مورد استفاده قرار می گیرند.
با تبدیل موتور بنزینی به گاز سوز انژکتوری عملکرد(توان و گشتاور )موتور برای CNG حدود ۱۰ در صد و برای LPG در حدود ۵ درصد افت می كند ( البته به صورت تئوریك)كه دلایل گوناگونی دارد اما با كمی اغماض عملكرد یك موتور بنزینی كاربراتوری را می توان در حد موتور گازسوز انژكتوری دانست.
بعلت چگالی كمتری كه CNG نسبت به LPG دارد حجم مخازن ذخیره آن در حدود ۴۰ درصد تا ۵۰ درصد بزرگتر از مخازن LPG است اما با انژكتوری كردن این مجموعه چون تمام رفتار موتور و سیستم احتراق و جرقه زنی توسط ECU كنترل می‌شود مصرف گاز به حداقل رسیده و نیاز به حجم كمتری از گاز ذخیره شده برای طی مسافت یكسان نسبت به نوع كاربراتوری است كه این مهم می‌تواند باعث كوچك شدن حجم مخازن ذخیره شود.
در طرح دو گانه سوز انژكتوری بدان علت كه قسمت عمده ای از حسگر ها و ECU و ملحقات آن بین انژكتور گاز و بنزین مشترك است تنها اضافه كردن چند انژكتور مخصوص گاز و رگلاتور به همراه لوله های مربوط اجتناب‌ناپذیر بوده و نیز از آنجاییكه ECU (مجموعه كنترل الكترونیك) قابل برنامه‌ریزی مجدد است در صورت تغییر استراتژی سوختی از CNG به LPG و یا برعكس با تغییر برنامه عملكرد ●موتور بسادگی امكان‌پذیر است
به علت وجود حسگرهای الكترونیكی در مكانهای مختلف موتور مثل حسگر دریچه گاز و حسگر فشار منیفولد می‌توان قابلیت رانش خودرو را بهبود داد و این امر حتی از تنظیمات روی انژكتور بنزین هم آسان تر است (با توجه به مایع بودن بنزین و مساله تبخیر یا میعان آن) لذا در مجموع رانندگی با این مجموعه به علت صدای كمتر مصرف كمتر آلودگی كمتر و نرم تر كار كردن موتور به مراتب لذت بخش تر است و قابلیتی خوب برای جلب نظر خریدار است. اساس کار موتورها تا حدود زیادی شبیه به پمپها است .برای انجام پروسه احتراق موتور نیاز به اکسیژن و بطور کلی هوا دارد .
هر موتور برای تولید قدرت بیشتر باید سوخت بیشتری را بسوزاند و سوزاندن سوخت بیشتر هم به نوبه خود مستلزم پمپاژ هوای بیشتری به داخل سیلندر ها است که میزان هوای ورودی به داخل سیلندر هم به مقاومت مجاری ورودی داخل سیلندر و مجاری خروجی و بطور سیستم تنفسی موتور بستگی دارد .
شکل مجاری ورودی (منیفولد ورودی) و مجاری خروجی (منیفولد خروجی) دامنه حرکت سوپاپها و زمان باز بودن آنها تعداد سوپاپها و شکل اتاق احتراق عوامل تاثیر گذار در تعیین میزان بازده حجمی یک موتور می باشد .
هر چه راندمان حجمی موتور بالاتر باشد میزان بیشترین قدرت خروجی هم طبعا بیشتر خواهد شد . سوختهای مایع وقتی که بخار می شوند فضای بسیار کمی از مسیر ورود هوا را اشغال می کند در نتیجه تاثیر قابل توجهی روی راندمان حجمی نمی‌گذارند. اما سوختهای گازی - نسبت به سوختهای مایع - ۴ الی ۱۵ درصد فضای بیشتری از مجاری ورود هوا را اشغال می‌کنند بنابراین کاربرد این سوختها باعث می‌شود که به همین میزان ذکر شده از حجم هوای ورودی به داخل سیلندر کاسته شود (راندمان حجمی را کاهش می دهد) لذا توان موتور کاهش خواهد یافت .
این افت قدرت بطور ذاتی و طبیعی با سوختهای گازی همراه است و به آسانی نمی توان بر آن غلبه کرد . میزان واقعی افت قدرت به چگالی گاز در منیفولد ورودی بستگی دارد.

شهرام اسلامی
منابع:
[e-mail]
automobilemag.com

منبع : مجله گسترش صنعت