معرفي موتورهاي شش زمانه

توضیحات

دسته: مجموعه شماره 8

منتشر شده در شنبه, 23 دی 1391 21:23

نوشته شده توسط Mehdi Jahanbakhsh

 معرفي موتورهاي شش زمانه

نويسنده : حميدرضا بهرامپوري

ملکرد موتورهاي درون­سوز به اين صورت است که پس از تراکم مخلوط هوا و سوخت، انفجار در سيلندر رخ مي­دهد. به بياني ديگر، انبساط گاز مستقيماً روي پيستون اثر گذاشته و ميل­لنگ را 180­درجه مي­چرخاند. فرايند احتراق در موتورهاي احتراقي به دو صورت داخلي و خارجي اتفاق مي­افتد. در موتور درون­سوز فرايند اختلاط سوخت و هوا که منجر به انفجار و احتراق مي­شود، درون موتور صورت گرفته و پس از احتراق، هيچ­کدام از اجزاي ياد­شده قابل بازيافت نيستند (نظير موتور خودرو و هواپيما) در موتورهاي برون­سوز، احتراق سوخت بدون تماس مستقيم با سيال کاري، توليد قدرت مي­کند (نظير موتور بخار يا بويلرهاي نيروگاه).

طراحي مکانيکي و ساختماني موتور شش زمانه، همانند موتورهاي درون­سوز است با اين تفاوت که چرخه ترموديناميکي تغيير کرده است. تعبيه دو اتاقک جديد در سر سيلندر اين موتور را متمايز مي­کند. اتاقک احتراق و اتاقک تراکم (گرمکن هوا) که هر دو از سيلندر موتور جدا هستند. با توجه به اينکه احتراق اصلي درون سيلندر رخ نمي­دهد، رخداد انفجار در محفظه احتراق کمکي، مستقيماً روي پيستون اثر نمي­گذارد و در نتيجه از 180درجه چرخش ميل­لنگ در چرخه قدرت، مستقل است.

محفظه احتراق، کاملاً توسط محفظه گرمکن احاطه شده است. ديواره­هاي محفظه احتراق با تبادل گرما با محفظه گرمکن، باعث مي­شوند که فشار هوا درون محفظه گرمکن افزايش يابد و قدرت اضافي توليد شود.

به طور خلاصه، مزاياي موتورهاي شش زمانه عبارتند از:

• افزايش بازده حرارتي
• کاهش مصرف سوخت
• کاهش آلاينده هاي شيميايي
• کاهش آلودگي صوتي
• افزايش کورس مفيد کار
• مصرف بهينه و پاشش مستقيم سوخت در هر دور موتور
• امکان استفاده از چند سوخت مختلف

عملکرد موتورهاي شش زمانه

در طول چرخه کاري موتور شش زمانه، محفظه هاي کمکي اجازه مي­دهند برخي فرايند هاي ذيل همزمان عمل کنند. بنابراين، فرايند توليد قدرت براي هريک از چرخه­هاي درون­سوز و برون­سوز به وجود مي­آيد. شکل (1) نمودار پيوستگي هشت فرايند را نشان مي­دهد.

شکل 1: فرايند هاي موتور شش­زمانه

مراحل چرخه برون­سوزي (شکل 2) عبارتند از:

فرايند 1: مکش هواي خالص درون سيلندر (فرايند ديناميکي)

فرايند 2: تراکم هواي خالص در محفظه گرمکن (فرايند ديناميکي)

فرايند 3: هواي خالص فشرده شده در محفظه بسته گرمکن با تبادل گرما با ديواره­هاي محفظه احتراق، افزايش دما پيدا مي­کند (فرايندي استاتيکي است چون مستقيماً روي ميل لنگ اثر نمي­گذارد)

فرايند 4: انبساط هواي داغ درون سيلندر و توليد قدرت (فرايند ديناميک)

شکل 2: فرايند برون­سوزي

طي اين چهار فرايند، هواي خالص هرگز در تماس مستقيم با سوخت و شمع نخواهد بود.

دومين چرخه مربوط به درون­سوزي است.

فرايند 5: تراکم مجدد هواي خالص و گرم درون محفظه احتراق (فرايند ديناميک)

فرايند 6: تزريق سوخت، بدون تاثير بر ميل­لنگ و احتراق در محفظه احتراق (فرايند استاتيک)

فرايند 7: گازهاي احتراق منبسط مي­شوند و کار انجام مي­شود (فرايند ديناميک)

فرايند 8: تخليه محصولات احتراق (فرايند ديناميک)

شکل 3: فرايند درون­سوزي

طي اين چهار فرايند، هوا مستقيماً با سوخت تماس دارد (شکل 3).

طراحي سرسيلندر

در سر سيلندر موتورهاي شش­زمانه، دو محفظه و چهار سوپاپ به ازاي هر سيلندر وجود دارد. اين در حالي است که وجود دو سوپاپ براي مکش و تخليه، امري متداول است. دو سوپاپ ديگر، از مواد مقاوم در برابر حرارت بالا ساخته شده­اند. فشار بالا در محفظه سوپاپ­ها طي مراحل احتراق و گرم کردن هوا ممکن است سوپاپ­ها را باز کند. براي پيشگيري از اين پديده، روي هر دو سوپاپ يک پيستون نصب شده که فشار روي سوپاپ­ها را خنثي مي­کند. نکته ديگر اينکه در چرخه شش زمانه، سرعت دوراني ميل بادامک يک سوم ميل­لنگ است (شکل 4).

ديواره هاي محفظه احتراق، هنگامي که موتور روشن است، در واقع سوزان هستند. محفظه گرمکن هوا، محفظه احتراق را احاطه کرده است. ضخامت کم­ديواره، امکان تبادل حرارت مابين دو محفظه را به وجود مي­آورد. محفظه گرمکن هوا براي کاهش تلفات حرارتي از سر سيلندر، عايق شده است (براي معرفي ساده­تر موتور، جزئيات محفظه احتراق در اين مقاله تشريح نشده است).

انتقال حرارت از محفظه احتراق به محفظه گرمکن، طي دو مرحله انجام مي­شود که نتيجه آن فشار کمتر بر روي پيستون و نرمي بهتر موتور است. از آنجا که محفظه احتراق توسط سوپاپ­ها از سيلندر جدا شده است، قطعات محرک به ويژه پيستون، نسبت به تنش هاي ناشي از دما و فشار بسيار بالا، در خطر نيستند. به کمک اين سوپاپ­ها، از خودسوزي يا احتراق پيش­رس مخلوط سوخت و هوا، جلوگيري مي­شود.

نسبت تراکم محفظه احتراق و گرمکن، متفاوت است. به نظر منطقي مي­رسد که نسبت تراکم محفظه گرم­کن بيشتر از نسبت تراکم محفظه احتراق باشد تا مرحله برون­سوزي بخوبي صورت پذيرد. متناظراً نسبت تراکم کمتر در محفظه احتراق، بر چرخه درون­سوزي عمل مي­کند. در اين صورت، احتراق تمامي سوخت پاشيده شده در محفظه احتراق، تضمين مي­شود زيرا به دليل گرم شدن هواي درون محفظه احتراق، تمامي سوخت پاشيده شده، مي­سوزد. علاوه بر اين، ديواره­هاي سوزان محفظه نيز مشابه چندين شمع عمل مي­کنند. همچنين، براي آسان روشن­شدن موتور در هواي سرد، درون محفظه احتراق يک شمع گرمکن کار گذاشته شده است.

1. سوپاپ ورودي هوا
2. سوپاپ محفظه گرمکن
3. سوپاپ محفظه احتراق
4. سوپاپ خروج هوا
5. سيلندر
6. محفظه احتراق
7. محفظه گرمکن
8. جداره محفظه احتراق
9. سوخت پايين انژکتور
10. شمع گرمکن

شکل 4: سر سيلندر موتور شش­زمانه

در مقايسه با موتور ديزل که به بدنه­اي سنگين نياز دارد، اين موتور چندگانه­سوز مي­تواند از سوخت ديزل نيز استفاده کند. بنابراين، امکان ساختن مدل بسيار سبکتر در مقايسه با موتور بنزيني، وجود دارد.

پاشش و احتراق سوخت طي 360 درجه از دوران ميل لنگ در محفظه احتراق بسته، اتفاق مي­افتد. اين خصوصيت باعث مي­شود که زمان ايده­ال سوختن سوخت، افزايش يابد به­طوري که عمده انرژي پتانسيل شيميايي سوخت، آزاد شود. به همين خاطر، اولين عامل آلودگي محيط زيست يا همان خام­سوزي، از بين مي­رود. با استفاده از انژکتور معروف به SNDF، امکان پاشش دو سوخت از يک نازل وجود دارد.

ديواره‌هاي سوزان محفظه احتراق، باقيمانده سوختي را كه طي پاشش ته‌نشين شده است، مي‌سوزاند. در نتيجه، دومين عامل كاهش آلايندگي يا همان هيدروكربن‌هاي نسوخته (HC) تحقق مي‌يابد.

در مراحل تخليه و مکش، سوپاپ­هاي محفظه احتراق و گرمکن، زمان استراحت بيشتري براي تعديل دارند که باعث کاهش سرو صدا و بهبود بازده موتور مي­شود. با توجه به روند تغيير طراحي در موتور شش­زمانه، جزئيات بيشتر در خصوص طراحي اين موتور، در مقاله­هاي آتي همين ماهنامه ارائه خواهد شد.

شکل 5: شش مرحله عملکرد موتورهاي شش­زمانه

عوامل موثر در افزايش بازده حرارتي و کاهش مصرف سوخت و آلايندگي

1. با احاطه کردن محفظه احتراق توسط محفظه گرمکن، گرماي هدر رفته از سر سيلندر طي خنک­کاري موتورهاي متداول، بازيافت مي­شود.
2. بعد از مکش، انرژي جنبشي هوا در محفظه گرمکن افزايش مي­يابد و طي 720 درجه دوران ميل­لنگ، متراکم مي­شود. اين در حالي است که محفظه در طول 360 درجه گردش ميل­لنگ بسته است (برون­سوزي).
3. تبادل گرماي ديواره­هاي بسيار نازک محفظه احتراق با محفظه گرمکن، دما و فشار گازهاي منبسط شده و تخليه شده از محفظه احتراق را متاثر مي­سازد.
4. احتراق و انبساط بهتر گازها طي 540 درجه گردش ميل­لنگ در مرحله قدرت رخ مي­دهد. در طول 360 درجه، محفظه احتراق بسته است و در طول 180 درجه، انبساط گازها صورت مي­گيرد.
5. ديواره­هاي سوزان محفظه احتراق اجازه مي­دهند تا هر نوع سوخت و باقيمانده ته­نشين شده آن به بهترين شکل ممکن بسوزد.
6. کورس کار، شامل دو انبساط طي شش کورس کاري است. در نتيجه، قدرت موتور شش­زمانه حدود 8 درصد نسبت به موتورهاي چهار زمانه بيشتر است.
7. سيلندر در کورس مکش، به علت دماي پايين ديواره سيلندر و سر سيلندر، بهتر پر مي­شود.
8. برخلاف موتورهاي چهار­زمانه که در مدتي کوتاه، تخليه و مکش را توام انجام مي­دهد (وضعيت قيچي قيچي سوپاپ­ها)، در موتور شش­زمانه، مکش در کورس اول و تخليه در کورس چهارم رخ مي­دهد که سبب حذف تلاقي گازهاي خروجي با مخلوط احتراق مي­شود.
9. تلفات قدرت در سيستم خنک­کاري کاهش مي­يابد، به طوري که امکان دارد نياز به خنک­کاري با آب نباشد و يا با پمپاژ آب و دمش فن رادياتور کاهش يابد.
10. سبک­بودن قطعات محرک، سبب اينرسي کمتر خواهد شد.
11. با احتراق در محفظه بسته، حتي در هواي سرد فشار کمتري به روغن مي­آيد و رقيق شدن روغن اتفاق نمي­افتد.

از آنجا که موتورهاي شش­زمانه، يک­سوم موتورهاي چهار­زمانه تخليه و مکش دارند، افت فشار روي پيستون در مکش و فشار منفي گازهاي اگزوز در تخليه به نسبت يک­سوم کاهش پيدا مي­کند. تلفات اصطکاک با تقسيم بهتر فشار روي قطعات متحرک، تعديل­شده و به همين دليل قدرت طي دو مرحله، توليد شده و احتراق مستقيم نيز حذف مي­شود.

مزاياي موتورهاي شش زمانه نسبت به موتورهاي چهارزمانه

1. حداقل 40 درصد کاهش مصرف سوخت

بازده کاري موتور شش­زمانه، تقريباً 50درصد است. بنابراين، در مقايسه با بازده 30 درصدي موتورهاي بنزيني مصرف سوخت به شکلي ويژه کاهش مي­يابد.

به رغم افزوده شدن قطعات در سر سيلندر به دليل افزايش بازده حرارتي و داشتن دو مرحله قدرت در طول شش مرحله کاري موتور، توان ويژه اين نوع موتور از موتور بنزيني چهار زمانه، کمتر نيست.

از آنجا که کورس کار در دو مرحله رخ مي­دهد (360 درجه از 1080 درجه) گشتاور 8 درصد نسبت به موتور چهارزمانه (180 درجه از 720 درجه) بيشتر است. اين امر باعث مي­شود تا در سرعت پايين، موتور بدون تاثير چشمگير بر مصرف سوخت، به نرمي کار کند. در واقع، احتراق تحت تاثير سرعت خودرو نخواهد بود. اين مزيت بهبود عملکرد خودرو را در ترافيک به همراه دارد.

2. چندگانه سوز بودن موتور

چندگانه­سوز بودن، برتري مهم ديگري است. موتور شش­زمانه، مي­تواند با سوخت­هاي مختلف کار کند يعني از سوخت هاي فسيلي و گياهي گرفته تا LPG و روغن حيواني. اختلاف در ميزان اشتعال­پذيري يا ضد کوبشي سوخت، هيچ نقشي در احتراق ندارد.

ساختمان استاندارد يک موتور بنزيني و نسبت اندک تراکم محفظه احتراق موتورهاي شش­زمانه، مانع استفاده از سوخت ديزل نمي­شود. همچنين سوخت گازول (در ايران متداول نيست) يا مخلوط بنزين و الکل (متانول) قابل استفاده است.

3. کاهش چشمگير آلاينده هاي خروجي از اگزوز

به ازاي مصرف مخصوص سوخت کمتر، آلودگي صوتي، حرارتي و شيميايي کاهش مي­يابند و پر واضح است که اين نوع موتورها، آلاينده هاي هيدروکربن، مونوکسيد کربن و نيترات کمتري توليد مي­کنند. از اين گذشته قابليت کار کرد اين موتورها با سوخت­هاي گياهي و گازهاي کم­آلاينده، باعث مي­شود تا سخت­ترين استانداردهاي آلودگي نيز قابل دستيابي باشند.

4. استفاده از سوخت مايع يا LPG

قيمت ارزان، آلايندگي کمتر LPG نسبت به بنزين و کاهش مصرف سوخت ويژه، استفاده از سيستم LPG را به صورت تکسوز، توجيه‌پذير مي­کند. بنابراين، به کمک يک موتور شش زمانه LPG سوز روي خودرو با مخزني معادل مخزن يک خودروي معمولي بنزين­سوز، مي توان مسافت بيشتري را طي کرد.

5. قيمت قابل مقايسه اين موتور نسبت به موتور چهارزمانه

موتور شش­زمانه، به هيچ تغيير اساسي نياز ندارد. تکنولوژي و تجربه تخصصي و صنعتي کنوني کفايت مي­کند. قيمت ساخت سر سيلندر (محفظه احتراق و محفظه گرمکن) با ساده­سازي چندين قطعه، تعديل مي شود. با سبک سازي قطعات متحرک، کاهش سيستم خنک کاري، کاهش اندازه مخزن و ساده­سازي پاشش مستقيم سوخت بدون استفاده از شمع (نظير ديزل) و غيره... قيمت موتور کاهش قابل ملاحظه­اي مي­يابد.

نتيجه­گيري

تاکنون راه­حلي قاطع براي جايگزيني موتورهاي درون­سوز ارائه نشده است، مگر اينکه با ظهور تکنولوژي­هاي نوين و رو­به رشد در زماني معقول و با رعايت ملاحظات مالي تحويل عظيم در طراحي موتور، اتفاق بيفتد. موتور شش­زمانه و پذيرش آنها در صنعت خودروسازي جهان، مي­تواند تاثيري عظيم بر محيط زيست و اقتصاد جهاني بگذارد، زيرا موتوري است که 40درصد صرفه­جويي در مصرف سوخت و 60 تا 90 درصد (بستگي به نوع سوخت دارد) کاهش آلايندگي دارد.

• پيش­بيني مي­شود که مصرف سوخت براي خودروهاي متوسط بين 4 تا 5 ليتر در 100 کيلومتر و براي خودروهاي کوچک 3 تا 4 ليتر در 100 کيلومتر باشد.
• خودروهاي داراي موتور شش­زمانه را مي­توان تا 3 يا 5 سال ديگر به صورت انبوه عرضه کرد.
• قايق موتوري­ها (موتورهاي درون و بيرون کشتي) مي­توانند پيشنهاد بازار فروش بزرگي براي اين موتورها باشند زيرا خواسته­هاي آنها کاملا با مزاياي اقتصادي، ايمني، ساده­سازي و کاهش آلودگي صوتي و شيميايي اين موتورها، مطابق است. از اين گذشته، استفاده از سوخت­هاي ديگر غير بنزين مي­تواند، قوياً مد­نظر قرار گيرد.
• استفاده از سوخت­هاي گياهي (غير فسيلي)، گازهاي طبيعي و ديگر سوخت­ها به همراه کارکردن موتور با کمترين تنظيم و آلايندگي، مي­تواند بهره­گيري از آنها را در انژکتورها، پمپ­هاي کشاورزي، موتورهاي خودرو و قايق ميسر سازد.

• < قبلی
• بعدی >