مقالات
در حال خواندن
مراحل احتراق در موتور دیزل واساس کار آنها
0

مراحل احتراق در موتور دیزل واساس کار آنها

توسط mostafa bohluli۲ مرداد, ۱۳۹۶

مقدمه

ریشه لغوی
موتور یک کلمه انگلیسی است و به معنای جنباننده یا محرک می‌باشد. در حال حاضر از کلمه موتور به عنوان وسیله تولید انرژی جنبشی استفاده می‌شود.
موتور یکی از ارکان اصلی خودرو می‌باشد که وظیفه اصلی حرکت بوسیله موتور با انجام یک سری اعمال خاص امکان پذیر می‌شود. بر این اساس تلاشهای زیادی در زمینه طراحی و ساخت انواع موتور صورت گرفته است که در حال حاضر نیز بیشتر سرمایه گذاریهای کارخانه‌های خودرو سازی در این زمینه انجام می‌شود. تمام موتورهایی که در زندگی بشر مورد استفاده قرار می‌گیرند انرژی جنبشی را به شکل یک حرکت دورانی (چرخشی) در اختیار مصرف کننده قرار می‌دهند. موتورها این انرژی را از طریق تبدیل انرژی‌های پتانسیل و یا انرژیهای دیگر بوجود می‌آورند که می‌توان بر حسب منبع انرژی اولیه ، موتورها را تقسیم بندی کرد که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد.
می‌توان گفت که در پیرامون ما هر وسیله‌ای که کاری انجام می‌دهد دارای یک موتور است که حرکت قطعات آن و نیروی مورد نیاز آن وسیله را تأمین می‌کند. مثلا لوازم خانگی مثل یخچال ، ضبط صوت ، پنکه‌های تصویه و … همگی دارای یک موتور الکتریکی می‌باشند و یا اتومبیلهایی که در خیابانها رفت و آمد می‌کنند هر کدام یک موتور جهت تأمین انرژی جنبشی خود دارند.
تاریخچه
ایده ساخت موتور به زمانهای دور باز می‌گردد، چنانکه قبل از سالهای ۱۷۰۰ میلادی تلاشهایی جهت ساخت موتورها به شکل امروزی انجام پذیرفته بود (هر چند که موتورهای ساده آبی که انرژی جنبشی آب را به حرکت چرخشی تبدیل می‌کردند از زمانهای بسیار دورتر ساخته شده و مورد استفاده قرار می‌گرفتند) لیکن اولین تجربه موفقیت آمیز در این زمینه در سال ۱۷۶۹ اتفاق افتاد. در این سال جیمز وات توانست یک موتور بخار اختراع کند که قابلیت استفاده از انرژی محبوس در سوختهای مختلف نظیر چوب و ذغال سنگ را داشت.
سیر تحولی و رشد
مخترعین زیادی سعی کردند که اصول فوق را در موتورها تحقق بخشند ولی «ان.ای.اتو» مخترع آلمانی اولین کسی بود که موفق گردید. او در سال ۱۸۷۶ موتور خود را به ثبت رساند و دو سال بعد نمونه‌ای را که کار می‌کرد به معرض نمایش گذاشت. موتور مزبور همان چرخ چهارزمانه یعنی تکثیر ، تراکم ، توان و تخلیه را به کار می‌بست. دانشمندان هم عصر اتو عقیده داشتند که وجود تنها یک مرحله توان در دو دور چرخش زمان بزرگی است (یک موتور چهارزمانه در هر دو دور چرخش تنها یک بار سوخت را می سوزاند به اصطلاح دارای یکبار انفجار یا توان است)
بنابراین نظر خود را به موتور دو زمانه (که در هر دو چرخش یک انفجار دارد) معطوف کردند. این تلاشها تا آنجا ادامه یافت که در سال ۱۸۹۱ «جوزف دی» با کمک گرفتن از محفظه میل لنگ به عنوان یک سیلندر پمپ کننده هوا توانست ساخت موتورهای روزانه را ساده کند. در موتور دی ، مجاری ورودی هوا و خروجی دود در بدنه سیلندر قرار داشت (همان سیستم موتورهای دو زمانه امروزی). در سال ۱۸۹۲ دکتر «رادولف دیزل» یک مهندس آلمانی ، موتوری را به ثبت رساند که در آن سوخت در نتیجه گرمای تولید شده در اثر فشار زیاد ، مشتعل می شد. دیزل در اصل موتور خود را برای کار کردن با پودر ذغال سنگ طراحی کرده بود. اما به سرعت به سوخت‌های مایع روی آورد.
فعالیت‌های انجام شده توسط دانشمندان در طراحی و ساخت موتور و پیشرفت‌های حاصله را می‌توان مختصرا این‌گونه بیان کرد.
ساخت موتورهای بنزینی انژکتوری ( در سال ۱۹۳۶ )
ساخت موتورهای توربینی اتومبیل ( در سال ۱۹۵۰ )
ساخت موتور پیستون گردان وانکل ( در سال ۱۹۵۷ )
ساختمان موتور
ساختمان موتورها بسیار گوناگون ولی در عین حال از لحاظ اصول کلی بسیار مشابه است. مثلا همه موتورهای احتراقی دارای یک محفظه برای فشرده کردن سیال می‌باشند که سیلندر نام دارد. یا اینکه همگی دارای یک قطعه متحرک رفت و برگشتی می‌باشند که پیستون نام دارد و … لیکن ساختار موتورهای برقی متفاوت است. همگی آنها دارای یک سیم پیچ ثابت می‌باشد که میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. در میان این سیم پیچ میدان ، یک آرمیچر (روتور) وجود دارد که با تغییرات میدان مغناطیسی انرژی الکتریکی را به انرژی جنبشی تبدیل می‌کند (به شکل چرخش) و … .

طرز کار موتور
موتورهای الکتریکی از لحاظ تجهیزات و ساختار نسبتا ساده تر از موتورهای احتراقی هستند. البته طرز کار آنها نیز نسبتا ساده تر است. این موتورها با ایجاد یک میدان مغناطیسی و تغییرات مکرر این میدان مغناطیسی باعث به چرخش درآمدن روتور می‌شوند. و این چرخش توسط میله ای از محفظه موتور خارج و مورد استفاده قرار می‌گیرد. موتورهای احتراقی بصورت نوسانی کار می‌کنند یعنی اینکه قطعات متحرک آنها (پیستونها) که قابل انتقال انرژی هستند، حرکت رفت و برگشتی دارند. برای تبدیل این حرکات رفت و برگشتی به حرکت چرخشی وسیله‌ای به‌ نام میل لنگ استفاده می‌شود. لیکن در نهایت انرژی جنبشی این موتورها هم بصورت چرخش یک میله از محفظه موتور به خارج فرستاده می‌شود.

قدم مهم در توسعه موتورهای امروزی (که اغلب موتورهای احتراق داخلی هستند) زمانی برداشته شد که بودورثا مهندس فرانسوی چهار اصل عمده را که برای کار موثر این موتورها الزامی بودند، ارائه کرد. این اصول چهارگانه به قرار زیرند:
– اتاقک احتراق باید کوچکترین نسبت سطح به حجم ممکن را داشته باشد.
– فرآیند انبساط مخلوط گاز هوا و سوخت باید تا حد امکان سریع انجام شود.
– تراکم مخلوط در ابتدای مرحله انبساط باید تا حد امکان زیاد باشد.
– کورس پیستون می بایست تا حد امکان زیاد باشد.

انواع موتور
موتورها را بر اساس منبع تامین کننده انرژی به دو دسته موتورهای برقی و موتورهای احتراقی تقسیم می کنند.
موتورهای برقی : اختلاف پتانسیل الکتریکی را به حرکت چرخشی تبدیل می کنند.
موتورهای احتراقی : با سوزاندن مواد سوختی (اغلب سوخت های فسیلی) تولید انرژی می کنند. مانند موتورهای برون سوز ، موتورهای درون سوز ، موتور جت و …
موتورهای برون سوز : در این موتورها احتراق در بیرون از موتور صورت می گیرد (مانند موتور بخار)
موتور جت : از شتاب دادن و تخلیه شاره برای ایجاد پیش‌رانش برپایه قانون سوم نیوتن استفاده می‌کند.
موتورهای درون سوز : در اینگونه موتورها ماده سوختنی مستقیما در داخل موتور سوزانده می شود.
– موتورهای درون سوز خود به دو گروه تقسیم می شوند:
موتورهای اشتعال جرقه ای : سوخت به کمک یک جرقه الکتریکی در این موتورها مشتعل می شود.
موتورهای دیزل: در این موتورها سوخت بواسطه حرارت بالای ایجاد شده بوسیله فشار مشتعل می گردد.

کاربردها
کاربرد موتورها امروزه آن چنان وسیع است که ذکر آنها به یک زمان طولانی نیازمند است. اکثر لوازم خانگی نظیر یخچال ، چرخ گوشت ، آب میوه گیری ، ماشین لباسشویی ، جارو برقی ، پنکه‌های تهویه و … همچنین تمام وسایل نقلیه مورد استفاده نظیر اتومبیل‌ها ، اتوبوس‌ها ، کامیون‌ها ، هواپیماها ، قطار‌ها و کشتی‌ها همگی از موتورهای مختلف استفاده می‌کنند.
همچنین در تمام قسمت‌های یک کارخانه صنعتی و سایر وسایل و تجهیزات بکار رفته در بخش صنعت از موتورها استفاده می‌شوند. در بخشی کشاورزی جهت تامین منابع انرژی مثل ماشین آلات آسیاب‌ها ، پمپ‌های آب و غیره از موتورهای برقی و احتراقی استفاده می‌شود و … .
نقش موتورها در زندگی روزمره
با توجه به کاربردهایی که در بالا برای موتورها ذکر شد به جرات می‌توان گفت بدون وجود و استفاده از موتورها تمدن بشری به معنای امروزی معنا نخواهد داشت. چنانچه از منابع تولید انرژی (موتورها) صرف‌نظر کنیم شاید شکل زندگی به حالت قبایل بدوی برگردد. عملا زندگی امروزی ما آنچنان به منابع تولید توان وابسته است که زندگی بدون این تجهیزات برای انسان قابل تصور نیست.

مختصری از روند تکامل موتورهای احتراق داخلی به شرح زیر است:
– در سال ۱۶۸۰۲ میلادی Christian Huygens , Dutchphysicist اولین موتور احتراق داخلی را که توسط باروت (gunpowder) مشتعل میشود را طراحی کردند اما هرگز ساخته نشد.
– در سال ۱۸۰۷ میلادی، Francois isac deaivaz اهل هلند اولین موتور احتراق داخلی را که بوسیله ترکیبی از هیدروژن و اکسیژن کار می کرد را بوجود آوردند که اولین طراحی بسیار موفق بود.
– در سال ۱۸۲۴ یک مهندس انگلیسی اولین خودروی بخار را که با سوخت گاز کار می کرد را برای حرکت دادن خودرویی به بالای تپه Shooters اختراع کرد.
– در سال ۱۸۵۸ مهندس بلژیکی موفق به اختراع و همچنین ثبت حق امتیاز یک موتور دو طرفه که مجهز به سیستم احتراق شمع (Spark-ignition) و تغذیه بوسیله زغال سنگ (coalgas) شد. در سال ۱۸۶۳ Lonoir با اضافه کردن سوخت بنزین و همچنین یک کاربراتور قدیمی نوع دیگری را اختراع کرد که یک واگن سه چرخه را به حرکت در می آورد.
– در سال ۱۸۶۴ یک مهندس استرالیایی موفق به ساخت موتور یک سیلندر شد که موتور خود را به یک ارابه برای پیمودن مسیر صخره ای متصل کرد. چند سال بعد خودرویی را طراحی کرد که با سرعت ۱۰۰mph حرکت می کرد ولی خودروی او را به عنوان اولین خودرو مدرن مورد توجه ندارند.
– در سال ۱۸۷۳ جورج بیتون مهندس امریکایی اولین موتور دوزمانه که با سوخت نفت سفید کار می کرد مورد توجه قرار داد ولی به نتیجه نرسید. ولی کار تجربی او به عنوان اولین موتور نفتی مورد توجه قرار گرفت.
– در سال ۱۸۶۶ Longen,otto بر روی موتور پیش ساخته دیگری کار کردند و راندمان موتور را به صورت قابل توجهی بالا بردند.
– در سال ۱۸۷۶ otto موفق به ثبت و اختراع اولین موتور ۴ زمانه شد.
– در سال ۱۸۷۶ Dovgaldcleru, اولین موتور دو زمانه را طراحی کرد.
– در سال ۱۸۸۳ یک مهندس فرانسوی به نام Delamare موتور چهار زمانه تک سیلندر را ساخت. به طور حتم مشخص نیست که او به راستی خودرویی برای موتور خود ساخته باشد.
اما به هرحال کار او پیشرفت قابل ملاحظه ای البته تا قبل از زمان دایملر و بنز بود.
– در سال ۱۸۸۵دایملر اولین موتور را که به عنوان نمونه اولیه موتورهای امروزی است را ساخت با سیلندرهای عمودی و تزریق بنزین و کاربارتور، او همچنین یک خودرو برای موتور خود طراحی کرد که دارای ۲ چرخ بود.
– در سال ۱۸۸۶ کارل بنز حق امتیاز ماشین های تزریق سوخت را به نام خود ثبت کرد.
– در سال ۱۸۸۹ دایملر اولین موتور چهــار زمانه خود را که دارای سوپاپ های قارچی شکل (mushroomn shoped valvalve) بودند و همچنین سیلندرهای مورب داشتند را پیشرفت داد.
– در سال ۱۸۹۰ می باخ اولین موتور چهار زمانه چهار سیلندر را تولید کرد.

مراحل احتراق در موتور دیزل واساس کار

موتور دیزل از نوع احتراق داخلی (درون سوز) است که از تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به انرژی حرارتی در داخل سیلندر وسپس تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی قدرت لازم حاصل می شود شکل زیر چهار حالت اصلی را نشان می دهد.

توضیحات

۱-در زمان تراکم حجم موتور به نسبت ۱÷۲۲ تا۱÷۱۴ کوچک میشود ولی فشار هوای متراکم شده بیشتر از ۱۴ تا ۲۲ برابر افزایش میابد زیرا درجه حرارت هوا به شدت بالا می رود از آنجا که درجه حرارت ثابت نمی باشد نمی توان قانون بویل و ماریوت را که بر اساس آن بین کاهش حجم و افزایش فشار نسبت ثابتی وجود دارد تطبیق داد .
۲-برای احتراق کامل تر، سوخت به صورت ذره ای تزریق می شود یعنی همه ی سوخت در یک لحظه به سیلندر پاشیده نمی شود . بعلاوه زمانی هم برای عملیات اختلاط سوخت با هوا ، تبخیر و شروع احتراق صرف می گردد .بنابراین:
الف – عمل سوختن در مدت زمان طولانی ادامه داشته به طوریکه با پایین رفتن پیستون و ازدیاد حجم فشار احتراق کم نمی شود به عبارت دیگر ادامه ی احتراق در زمان طولانی تر جبران بزرگتر شدن حجم را می نماید ولذا از نظر تئوری موتور دیزل را ب : موتور فشار ثابت میگویند.
ج – به علت تداوم تزریق سوخت فشار زمان قدرت تقریبا ثابت بوده و پیستون تا مدت بیشتری تحت تاثیر فشار احتراق میباشد
۳- در موتـور دیزل احتـراق بصورت خود به خود (یعنی بدون جرقه ی شـمع یا منبع دیگر ) انجام می شود پس سیستم سوخت رسانی آن باید دارای شرایط زیر باشد :
الف – سوخت به مقدار کاملا دقیق نسبت به بار موتور ارسال شود
ب – شروع تزریق کاملا صحیح تنظیم شود
ج – مدت تزریق کاملا حساب شده باشد
د- سوخت به شکل کاملا ذره ای یا به صورت گرد تزریق شود
ه – ذرات سوخت در تمام فضای اتاق احتراق پخش گردد
و – کیفیت سوخت و راندمان احتراق طوری تنظیم شود که راندمان حرارتی حداکثرشود (دود های خروجی اگزوز دارای حداقل هیدروکربورهای نسوخته باشد)
ز – مقدار تزریق سوخت با توجه به مدت پاشش ونحوه ی احتراق طوری هماهنگی داشته باشد که زمان احتراق نسبتـا طولانی بوده و با ازدیـاد حجم موتور در موقع پاییـن رفتن پیستون فشار ثابت بماند

۱-۱) مراحل احتراق موتور دیزل
از نظر شیمیائی فعل انفعال احتراق در موتور دیزل وبنزینی متشابه است اما از نظر فیزیکی تشابهی بین دو احتراق مذکور وجود ندارد زیرا :
الف – سوخت قابل احتراق موتور بنزینی در حالت عادی گازی متشکل از هوا وبنزین است که احتراق از یک یا دو نقطه به وسیله ی شمع وچند درجه قبل از نقطه ی مرگ بالا در انتهای زمان تراکم وتا چند درجه پس از نقطه مرگ بالا ادامه دارد .
ب- در موتور دیزل هوای محیط به موتور وارد شده به شدت فشرده می شود .با نسبت تراکم بین ۱۴:۱ تا ۲۲:۱ آنقدر درجه ی حرارت بالا می رود تا سوخت پودر شده را که چند درجه قبل از نقطه مرگ بالا در انتهای زمان تراکم به موتور تزریق گردیده خود به خود محترق کند.

چندنکته مهم

۱- در موتور دیزل فقط هوا فشرده می شود بنابراین محدودیت نسبت تراکم به علت ایجاد خودسوزی از بین رفته است .
۲- فشار و درجه ی حرارت موتور با افزایش نسبت تراکم خیلی بالا می رود بطوریکه در لحظات اولیه ی تزریق اولین ذرات سوخت مشتعل گردیده و عمل شیمیائی سوختن آغاز می¬شود.
۳- ذرات بعدی سوخت احتراق آرامتری را انجام می دهد به طوری که انفعالات ناشی از احتراق در زمان طولانی تری ظاهر شده وبا پایین رفتن پیستون وازدیاد حجم فشار حاصله تقریبا ثابت می ماند.
۴- دیر شروع شدن عمل احتراق را «تاخیر احتراق» به وسیله ی فیلم عکاسی از طریق سیلندر های دریچه دار آزمایشی ویا دستگاه اندیکاتور مخصوص ثبت می کنند.

سه مرحله  ی اساسی احتراق

مرحله تاخیر احتراق : در این زمان سوخت به صورت ذره ای درامده و با هوا مخلوط می شود
مرحله شروع احتراق : به علت وجود نقاط گرم محترق کننده بخار سوخت که با هوا مخلوط شده به سرعت می سوزد
مرحله ادامه احتراق : سوخت هایی که دیرتر تزریق می شود با ذرات سوختی که هنوز کاملا نسوخته و با اکسیژن هوا مخلوط شده و عمل احتراق را تا مدت طولانی ادامه میدهند.

نتیجه: در منحنی شکل چپ ، فشار حاصل تا ۱۰۰۰ پوند بر اینچ مربع میباشد و در منحنی شکل راست حداکثر تا ۵۸۰ پوند بر ایچ میرسد – بطوریکه دیده میشود هرگاه سوخت در زمان لازم تزریق نشود فشار تولیدی موتور به مقدار کافی نمی رسد – خطوط بریده ی انبساط هوا را بدون آنکه احتراق صورت پذیرد نشان می دهد.

عواملی که روی تاخیر احتراق تاثیر دارد
زمان تاخیر احتراق که مرحله ی گرو شدن و آماده گردیدن برای احتراق است با عوامل زیر کاهش می یابد:
۱- افزایش گرمای موتور
۲ – کیفیت تاخیر پاشش سوخت
۳ – بهبود نحوه ی پاشش سوخت
۴ – کیفیت تبخیر گازوئیل

هوای اضافی در موتور دیزل

برای اینکه عمل احتراق به خوبی انجام شده و بدون دود باشد مقداری هوای اضافی در فعل انفعالات احتراق در نظر می گیرند .بنابراین تولید CO را به این روش حداقل می رسانند . به طوری که در بار کم وحالت سرد بدون موتور فقط مقدار کمی CO تولید می شود و بالعکس به علت افزایش هوا و تولید اکسید ازت مخصوصا در حرارت محیط و سرعت زیاد و حالت تمام بار افزایش می یابد
طرح هایی که عمل احتراق موتور دیزل را کامل تر می کنند:
الف – انواع اتاق اختلاط با کیفیت اختلاط سوخت وهوا
ب – اصلاح دستگاه های سوخت رسانی
ج – تولید سوخت مناسب برای احتراق
د – نصب دستگاه های پس سوز یا فیلتر های مخصوص در خروجی موتورها واگزوز ها.

قدرت موتور : در دیاگرام فوق قدرت موتور بر حسب دور نمایش داده شده است .اگر افزایش قدرت متناسب با دور و به صورت خطی باشد باید از نقطه ی مبدا شروع وبه صورت خط مستقیم افزایش یابد ، اما در عمل چنین نیست زیرا در دور های کم افت انرژی حرارتی به علت احتراق ناقص و اختلاط نامناسب زیادتر است واز طرفی در سرعت زیاد هم راندمان حجمی موتور کاهش یافته وسیلندر ها به طور کامل از هوا پر نمی شوند . بنابراین از این حالت هم انرژی حرارتی تلف می شود در نتیجه :
(دوران مفید موتور بین دو دوران قدرت حداکثر و گشتاور حداکثر میباشد)

اثر دود خروجی از اگزوز
موتور های احتراق داخلی به علت احتراق ناقص ، تولید گاز های خطرناک وسّمی می کنند . مسئله پاکیزه نگه داشتن محیط زیست آنقدر اهمّیت دارد که برای کنترل دود خروجی خودرو ها باید استاندارد های مربوطه را لازم الاجرا دانست.
هیدروکربور های معدنی مورد استفاده در موتور ها برای احتراق اکسیژن هوا را مصرف نموده و تولید دی اکسید کربن و بخار آب میکنند . اما از آنجا که سیستم احتراقی متکامل نمیباشد لذا نمیتوانند تمام سوخت را به طور کامل به CO2 , H2O تبدیل سازند لذا تولید مواد ناسالم زیر بر حسب بار ، سرعت و سیستم احتراق به مقادیر مختلف وجود دارد:
الف – مونواکسید کربن CO که به علبت کمبود هوا تولید می شود.
ب – هیدروکربون نسوخته یا نیمه سوخته
ج – اکسید ازت NOx که در اثر ترکیب اکسیژن با ازت موجود در هوا تولید می شود . در درجه حرارت زیاد وفشار تراکم بالا درصد تولید اکسید ازت زیادتر می شود .
د – کربن ودوده
ه – الدهیدها ، که ترکیبات بد بوی هیدروکربن ها می باشند

واکنش شما چیست؟
I like it
0%
interested
0%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
mostafa bohluli
دانشجوی مهندسی مکانیک

پاسخ بدهید