سوخت، موتور و حرکت

انسان سالها تلاش کرد تا توانست وسیله ای بسازد که با مصرف سوخت، حرکت ایجاد کند. ماشین های اولیه ای که برای این کار طراحی شدند، بازده پایینی داشتند. ولی اختراعات عده زیادی از مهندسان در طی بیش از سه قرن تحقیق، باعث بهبود این ماشین های گردید.
● نخستین گام: انفجار باروت
امروزه شنیدن نام موتور بلافاصله ما را به یاد کسانی چون اتو، دیزل و بنز می‌اندازد. اما حقیقت اینست که پیش از آنها افراد بسیاری در این زمینه فعالیت داشته اند. یکی از اولین افراد، کریستین هویگنس بود. این دانشمند هلندی در سال ۱۶۶۶ ماشینی ساخت که با نیروی حاصل از انفجار باروت کار می‌کرد. اگر به شکل دقت کنید، خواهید دید که باروت موجود در مخزن منفجر می‌شود و گازهای حاصل از سوختن آن، پیستون را بالا می‌برد. وقتی که پیستون در بالای مخزن می‌ایستد، گازها از محفظه خارج می‌شوند. سپس فشار اتمسفر باعث می‌شود که پیستون دوباره به پایین باز گردد. حرکت پیستون وزنه‌ها را بالا می‌برد. وقتی پیستون به پایین سیلندر می‌رسد، می‌توان با یک انفجار مجدد کل فرآیند را تکرار کرد.
ماشین هویگنس دو مشکل عمده داشت. اول اینکه مواد موجود در آن زمان قابلیت تحمل این فشار بالا را نداشتند. ( هویگنس هم مجبور شد برای آزمایش های خود از لوله توپ استفاه کند. ) و دوم اینکه کنترل دقیق عملکرد این ماشین امکان پذیر نبود. این دو اشکال سبب شد که او از ادامه کار صرف نظر کند. با توسعه ماشین های بخار، ایده هویگنس مدتها به فراموشی سپرده شد؛ اما مدتی بعد مهندسان دوباره به ماشین های درون سوز روی آوردند.
توجه کنید که تفاوت اصلی ماشین هویگنس با ماشین بخار اینست که در آن، اختراق سوخت و حرکت پیستون هر دو در یک محفظه انجام می‌شود، اما در ماشین بخار احتراق در یک کوره صورت می‌گیرد و انرژی ناشی از آن در بخش دیگری از ماشین حرکت ایجاد می‌کند. ماشین های دسته اول " درون سوز " نامیده می‌شود و ماشین های دسته دوم، " برون سوز ".
● گام دوم: تعویض سوخت، استفاده از جرقه
بعد از مدت کوتاهی، مهندسان دریافتند که به سوخت مناسب تری برای موتورهای خود نیاز دارند. حدودا صد سال پس از آزمایشات هویگنس، پیشنهاد شد به جای باروت از گاز شهری به عنوان سوخت موتور استفاده شود.
مشکلات فنی بسیاری بر سر کار وجود داشت. یکی از اساسی ترین آنها ساختن پیستونی بود که بتواند به طور یکنواخت درون سیلندر حرکت کند. حل کردن این مشکلات تقریبا ۵۰ سال طول کشید، اما سرانجام مهندسان موفق شدند.
یک پیشرفت مهم دیگر نیز در این دوران روی داد. در سال ۱۸۵۰، یک دانشمند ایتالیایی به نام اگنیو بارسانتی موتوری ساخت که در آن از یک سیستم جدید برای انفجار گاز استفاده شده بود. یک جرقه بین دو الکترود که در سیلندر قرار داشت، ایجاد می‌شد و همین جرقه باعث انفجار سوخت ورودی می‌گردید. سیستم او به حدی جالب بود که به سرعت مورد توجه همگان قرار گرفت.
محصول تلاش های محققین در این سال ها، عرضه دو نوع موتور جدید بود: یکی موتور اتمسفری و دیگری موتور دو سویه ابداع شده توسط ژان ژوزف لنوا.
انفجار گاز، پیستون را به حرکت در می‌آورد. پس از آن گازهای خنک شده خارج می‌شوند. خروج گازها سبب ایجاد خلاء در سیلندر می‌شود و پیستون در اثر مکش ناشی از همین خلاء و نیز نیروی فشار هوا به پایین باز می‌گردد و چرخ متصل را می‌گرداند. گاز ورودی تازه در محفظه احتراق با یک شعله کوچک روشن می‌شود و کار به همین ترتیب ادامه پیدا می‌کند. به دلیل نقش نیروی ناشی از فشار اتمسفر در حرکت پیستون، این موتورها " موتور اتمسفری " نامیده می‌شوند.
طرز کار ماشین دو سویه این گونه است که وقتی پیستون از ابتدای سیلندر تا وسط آن حرکت می‌کند، مخلوطی از گاز و هوا به درون مکیده می‌شود. سپس در نیمه دوم مسیر، این گازها منفجر شده و باعث حرکت پیستون می‌شوند. تخلیه گاز سوخته به طور همزمان از انتهای سیلندر صورت می‌گیرد و این بار موتور کلیه مراحل ذکر شده را در جهت مخالف حرکت قبلی پیستون انجام می‌دهد. اگر به تصویر بالا دقت کنید نحوه کار این موتور را بهتر درک خواهید کرد. در واقع، لنوا مخترع این ماشین نبود؛ او فقط قطعاتی را که دیگران طراحی کرده بودند با یک آرایش جدید در کنار هم قرار داد. در هر حال بازده ماشین دو سویه او، به زحمت به اندکی بیش از ۳% می‌رسید.
در همین زمان آلفونس دو رشا دریافت که متراکم کردن سوخت ورودی می‌تواند بازده موتور را بیشتر کند، اما نتوانست این کشف خود را در ابعاد صنعتی به اجرا درآورد. اندکی بعد نیکلاس اتو ایده او را به کاربست و ماشین چهار زمانه خود را ابداع نمود.
● گام سوم: تراکم سوخت، موتور چهار زمانه
در سال ۱۸۶۷، نیکلاس اتو و اگن لانجن موتور اتمسفری خود را در یک نمایشگاه جهانی در پاریس به بازار عرضه کردند. آنها توانسته بودند که با غلبه بر پاره ای مشکلات فنی، بازده موتور خود را تا ۳۰% افزایش دهند. موتور اتو مورد استقبال عموم قرار گرفت و در طول ده سال بیش از پنج هزار عدد از آن به فروش رفت. آنها با درآمد حاصل از فروش این موتور، کمپانی خود را تأسیس نمودند تا در آن به تحقیقاتشان ادامه دهند.
همه موتورهایی که تا آن زمان ساخته شده بودند یک ایراد مشترک داشت و آن این بود که سوخت به طور منظم و آهسته مصرف نمی شد. در نتیجه حرکت نیز نامنظم بود. سرانجام در سال ۱۸۶۷ اتو با ابداع موتور چهارزمانه این مشکل را حل کرد. طرح پیشنهادی او توسط ویلهلم میباک تکمیل شد و در پایان همان سال به تولید انبوه رسید.
پیستون در سیلندر چهار مرحله یا چهار رفت و برگشت انجام می‌دهد. از این رو چنین موتورهایی را موتور چهارهنگامه نیز می‌نامند. این چهار مرحله عبارتند از:
١) مرحله مکش (تنفس): (Intake Stroke) در این مرحله پیستون مطابق شکل روبرو به پایین حرکت می‌کند و دریچه ورود بنزین و هوا باز و مخلوط قابل انفجار به درون سیلندر کشیده می‌شود.
٢) مرحله تراکم: (Compression Stroke) در این هنگام پیستون به بالا حرکت می‌کند و درحالی که دریچه ورود سوخت و دود بسته شده است، مخلوط بنزین و هوا متراکم می‌شود و حجم آن به یک ششم تا یک هشتم حجم اولیه کاهش می‌یابد.
٣) مرحله انفجار: (Power Stroke) پیش از آنکه پیستون به بالاترین نقطه خود در مرحله تراکم برسد، یک جرقه الکتریکی در مخلوط سوخت ایجاد می‌شود و سوخت با سرعت زیاد می‌سوزد. از تبدیل انرژی شیمیایی انرژی گرمایی بسیار زیادی تولید می‌شود.
این گرما فشار گازهای سوخته شده را بالا می‌برد و فشار حاصل به دیواره سیلندر و به سطح پیستون اثر می‌کند. پیستون تحت تأثیر این فشار زیاد با سرعت به پایین رانده می‌شود و مقدار زیادی انرژی به میل لنگ منتقل می‌کند و سبب حرکت دورانی آن می‌شود. این فرآیند را ضربه قدرت می‌نامند.
٤) مرحله خروج دود: (Ejection Stroke) دراین هنگام پیستون که پایین رفته بود به طرف بالا حرکت می‌کند و دریچه خروج دود باز می‌شود و در نتیجه گازهای سوخته شده از سیلندر خارج و از راه لوله اگزوز به فضای بیرون رانده می‌شود.
برای مشاهده نمودار P-V موتور چهارزمانه بر روی علامت بالای شکل و سپس بر روی کلید مثلثی شکل پایین آن کلیک نمایید. برای نمایش نام مراحل نیز می‌توانید موس خود را بر روی حرف T بالای شکل نگه دارید.
در موتور چهارزمانه، پیستون فقط در یکی از مراحل به میل لنگ شتاب می‌دهد. این امر باعث می‌شود که حرکت میل لنگ یکنواخت نباشد. برای حل این مشکل چند سیلندر را در کنار هم قرار می‌دهند و آنها را به یک میل لنگ متصل می‌کنند. در هر زمان یکی از پیستونها در حال شتاب دادن به میل لنگ است، و در نتیجه حرکت میل لنگ یکنواخت خواهد بود.
به این موضوع توجه کنید که موتور ۴ سیلندر با موتور چهارزمانه فرق می‌کند. در حقیقت در هر سیلندر یک چرخه چهارزمانه روی می‌دهد.
پیستونها را می‌توان به چند روش مختلف به میل لنگ متصل کرد. ولی نحوه قرار گرفتن سیلندرها در بازده و اندازه موتور تأثیر زیادی دارد.
بسیاری از موتورهای پیشرفته امروزی نیز کم و بیش ساختار مشابه موتور اتو دارد.
● گام چهارم: استفاده از سوخت مایع، موتور دیزل
مدتها بود دانشمندان سعی می‌کردند تا به جای گاز، از سوخت مایع استفاده کنند. کار با گاز خطرناک، و حجم مخزن نگهداری آن زیاد بود. پس از مدتی مهندسان توانستند وسیله ای طراحی کنند که سوخت مایع را با هوا مخلوط کند و به درون موتور بفرستد. این وسیله " کاربراتور " نام داشت. اما هزینه بالا و حجم زیاد آن باعث شد تا همچنان از گاز به عنوان سوخت استفاده شود. تا اینکه در سال ۱۸۸۳، کارل بنز و گوتلیب دایملر ( دو تن از کسانی که با گذشت بیش از صد سال هنوز هم کمپانی های خودروسازی آنها بسیار محبوب است. ) موفق شدند کاربراتوری بسازند که گازوئیل را با هوا مخلوط کند. کاربراتور آنها هم کوچک و هم اقتصادی بود. این اختراع سهم بزرگی در حرکت به سوی ساخت اتومبیل داشت، چون سوخت مایع نسبت به گاز فضای بسیار کمتری را اشغال می‌کرد و حمل و نقل آن نیز بسیار ساده تر بود.
در سال ۱۸۹۰، یک مهندس آلمانی به نام رودلف دیزل راه حل نوینی برای افزایش بازده موتور پیشنهاد داد. طرز کار موتور دیزل به این صورت است که به جای مخلوط سوخت و هوا، فقط هوا به درون سیلندر مکیده می‌شود. پس از آن، هوای ورودی با حرکت پیستون متراکم می‌شود. در اثر تراکم دمای هوا بالا رفته و فشار آن نیز افزایش می‌یابد. در این هنگام سوخت مایع ( گازوئیل ) از طریق روزنه ای به درون سیلندر پاشیده می‌شود. به دلیل دمای بالای درون سیلندر، گازوئیل به محض ورود به سیلندر خود به خود شعله ور می‌شود. به این ترتیب نیازی به استفاده از جرقه برای انفجار سوخت نیست.
مراحل کار موتور دیزل در شکل زیر نمایش داده شده است:
۱) مرحله مکش: (Suction Stroke) با حرکت پیستون به سمت پایین، هوای خالص به درون سیلندر مکیده می‌شود.
۲) مرحله تراکم: (Compression Stroke) پیستون در اثر حرکت میل لنگ به بالا رفته، هوا را متراکم می‌کند. حجم هوا در این حالت به یک پانزدهم تا یک بیستم حجم اولیه کاهش می‌یابد.
۳) مرحله انفجار: (Power Stroke) در اثر تراکم هوا، دما و فشار شدیدا افزایش پیدا می‌کند. در این هنگام سوخت در هوای داغ درون سیلندر پاشیده می‌شود و احتراق خودبه خود صورت می‌گیرد و در اثر انبساط گازهای حاصل پیستون به قدرت به سمت پایین حرکت می‌کند.
۴) مرحله خروج دود: (Expulsion Stroke) با حرکت پیستون به سمت بالا، گازها از طریق یک دریچه خروجی به بیرون از سیلندر رانده می‌شوند.
سیلندر موتور دیزل باید بسیار محکم تر از موتور اتو باشد، چون در دما و فشار بالاتری کار می‌کند. دیزل به این مطلب توجه نکرده بود و برای همین اولین نمونه او، هنگام آزمایش منفجر شد. اما بالاخره کار او در سال ۱۸۹۶ به نتیجه رسید. بازده موتور دیزل بسیار بیشتر از سایر موتورهای آن زمان بود و به همین دلیل مورد توجه قرار گرفت. امروزه با وجود پیشرفتهای فراوان، همچنان از موتوهای دیزل در ماشینهای سنگین و کشتیها استفاده می‌شود.
مطالبی که خواندید فقط اصول کار موتورهای درون سوز را بیان می‌کند. امروزه در ساختار این موتورها تغییرات بسیاری ایجاد شده و بسیار پیچیده تر شده است.

صادق بهداد

منبع : مدرسه اینترنتی تبیان