آشنایی و شرح عملکرد موتور دیزل

موتور دیزل گونه‌ای موتور درون‌سوز است که در آن از چرخه دیزل برای ایجاد حرکت استفاده می‌شود. فرق اصلی آن با دیگر موتورها استفاده از احتراق در اثر تراکم است. در این گونه پیشرانه‌ها عمل انفجار صورت نمی‌گیرد، بلکه مخلوط سوخت و هوا در اثر تراکم بسیار بالا بدون جرقه زدن متراکم می‌شوند و دور اصلی این پیشرانه‌ها بر خلاف موتورهای بنزین سوز ۱۰۰ دور/دقیقه محسوب می‌گردند.

ریشه لغوی موتور دیزل

کلمه دیزل نام یک مخترع و مهندس آلمانی به نام رودلف دیزل است که در سال ۱۸۹۲ پس از چهارده سال کار شبانه‌روزی، نوع خاصی از موتورهای احتراق داخلی را به ثبت رساند، به احترام این مخترع اینگونه موتورها را موتورهای دیزل می‌نامند.

دید کلی موتور دیزل

موتورهای دیزل، به انوع گسترده‌ای از موتورها گفته می‌شود که بدون نیاز به یک جرقه الکتریکی می‌توانند ماده سوختنی را شعله‌ور سازند. در این موتورها برای شعله‌ور ساختن سوخت از حرارت‌های بالا استفاده می‌شود. به این شکل که ابتدا دمای اتاقک احتراق را بسیار بالا می‌برند و پس از اینکه دما به اندازه کافی بالا رفت ماده سوختنی را با هوا مخلوط می‌کنند.

برای سوزاندن یک ماده سوختی به دو عامل حرارت و اکسیژن نیاز است. اکسیژن از طریق مجاری ورودی موتور وارد محفظه سیلندر می‌شود و سپس بوسیله پیستون فشرده می‌گردد. این فشردگی آنچنان زیاد است که باعث ایجاد حرارت بسیار بالا می‌گردد. سپس عامل سوم یعنی ماده سوختنی به گرما و اکسیژن افزوده می‌شود که در نتیجه آن سوخت شعله‌ور می‌شود.

تاریخچه موتور دیزل

در سال ۱۸۹۰ میلادی آکروید استوارت حق امتیاز ساخت موتوری را دریافت کرد که در آن هوای خالص در سیلندر موتور متراکم می‌گردید و سپس (به منظور جلوگیری از اشتعال پیش‌رس) سوخت به داخل هوای متراکم شده تزریق می‌شد، این موتورهای با فشار پایین بودند. و برای مشتعل ساختن سوخت تزریق شده از یک لامپ الکتریکی و یا روشهای دیگر در خارج از سیلندر استفاده می‌شد.

در سال ۱۸۹۲ دکتر رودلف دیزل آلمانی حق امتیاز موتور طراحی شده‌ای را به ثبت رساند که در آن اشتعال ماده سوختنی، بلافاصله بعد از تزریق سوخت به داخل سیلندر انجام می‌گرفت. این اشتعال عامل حرارت زیادی بود که در اثر تراکم زیاد هوا بوجود می‌آمد. وی ابتدا دوست داشت که موتور وی پودر زغال سنگ را بسوزاند ولی به سرعت به نفت روی آورد و نتایج قابل توجهی گرفت.

طی سالهای متمادی پس از اختراع موتور دیزل، از این نوع موتور عمدتاً و منحصراً در کارهای درجا و سنگین از قبیل تولید برق، تلمبه کردن آب، راندن قایق‌های مسافری و باری و همچنین برای تولید قدرت جهت رفع بعضی از نیازهای کارخانجات استفاده می‌شد. این موتورها سنگین، کم سرعت، دارای یک یا چند سیلندر و از نوع دوزمانه یا چهارزمانه بودند.

پیشرفت بیشتر موتورهای دیزل، تا توسعه سیستم‌های پیشرفته تزریق سوخت در دهه ۱۹۳۰ طول کشید. در این سالها رابرت بوش تولید انبوه پمپ‌های سوخت‌پاش خود را آغاز کرد. توسعه پمپ‌های سوخت‌پاش (پمپ‌های انرژکتور) با توسعه موتورهای کوچکی که برای استفاده در خودروها مناسب بودند متعادل شد.

موتورهای دیزل سبکتری که سرعتشان نیز بالا بود در سال ۱۹۲۵ به بازار عرضه شدند. با آنکه پیشرفت در ساخت این موتورها کند بود. اما در سال ۱۹۳۰ موتورهای دیزل قابل اطمینان که به خوبی طراحی شده‌بودند و چند سیلندر و سریع نیز بودند به بازار عرضه شد. این پیشرفت تا پایان جنگ جهانی دوم برای مدتی کند بود. لیکن از آن تاریخ تاکنون طراحی و تولید این موتورها به طریقی پیشرفت نموده است که امروزه استفاده گسترده و فراگیر از موتورهای دیزل را شاهد هستیم.

موتور دیزل BMW

تقسیمات موتور دیزل

موتورهای دیزل نیز مانند سایر موتورهای احتراق داخلی بر مبناهای مختلفی قابل طبقه‌بندی هستند. مثلاً می‌توان موتورهای دیزل را بر حسب مقدار دفعات احتراق در هر دور گردش میل لنگ به موتورهای دیزل دوزمانه و یا موتورهای دیزل چهارزمانه تقسیم‌بندی نموده و یا بر حسب قدرت تولیدی که به شکل اسب بخار بیان می‌گردد. یا بر حسب تعداد سیلندر و یا شکل قرارگیری سیلندرها که بر این اساس به دو نوع موتورهای خطی و موتورهای V یا خورجینی تقسیم بندی می‌کردند و …

ساختمان ساختار موتورهای دیزل تنها در سیستم تغذیه و تنظیم سوخت با موتورهای اشتعال جرقه‌ای تفاوت می‌کند. بنابراین ساختارهای بسیار مشابهی میان این موتورها وجود دارد و تنها تفاوت ساختمانی آنها قطعات زیر است که در موتورهای دیزل وجود دارد و در سایر موتورهای احتراق داخلی وجود ندارد.

پمپ انژکتور: وظیفه تنظیم میزان سوخت و تامین فشار لازم جهت پاشش سوخت را به عهده دارد.
انژکتورها: باعث پودر شدن سوخت و گازبندی اتاقک احتراق می‌شوند.
فیلترهای سوخت: باعث جداسازی مواد اضافی و خارجی از سوخت می‌شوند.
لوله‌های انتقال سوخت: می‌بایست غیرقابل اشباع بوده و در برابر فشار پایداری نمایند.
توربوشارژر: باعث افزایش هوای ورودی به سیلندر می‌شوند.

طرزکار موتور دیزل

همانگونه که اشاره شد موتورهای دیزل بر اساس نحوه کارکردن به دو دسته موتورهای چهارزمانه و دوزمانه تقسیم می‌شوند. لیکن در هر دوی این موتورها چهار عمل اصلی انجام می‌گردد که عبارتند از مکش یا تنفس – تراکم یا فشار – کار یا انفجار و تخلیه یا دود اما بر حسب نوع موتورها ممکن است این مراحل مجزا و یا بصورت توام انجام گیرند.

سیکل موتورهای دیزل چهارزمانه

زمان تنفس:
پیستون از بالاترین مکان خود (نقطه مرگ بالا) به طرف پایین‌ترین مکان خود در سیلندر (نقطه مرگ پایین) حرکت می‌کند در این زمان سوپاپ تخلیه بسته است و سوپاپ هوا باز است. با پایین آمدن پیستون یک خلا نسبی در سیلندر ایجاد می‌شود و هوای خالص از طریق مجرای سوپاپ هوا وارد سیلندر می‌گردد. در انتهای این زمان سوپاپ هوا بسته شده و هوای خالص در سیلندر حبس می‌گردد.

زمان تراکم:
پیستون از نقطه مرگ پایین به طرف بالا (تا نقطه مرگ بالا) حرکت می‌کند و در حالیکه هر دو سوپاپ بسته‌اند (سوپاپ هوا و سوپاپ تخلیه) هوای داخل سیلندر متراکم می‌گردد و نسبت تراکم به ۱۵ تا ۲۰ برابر می‌رسد. فشار داخل سیلندر تا حدود ۴۰ اتمسفر بالا می‌رود و بر اثر این تراکم زیاد حرارت هوا داخل سیلندر به شدت افزایش یافته و به حدود ۶۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسد.

زمان قدرت:
در انتهای زمان تراکم در حالیکه هر دو سوپاپ همچنان بسته‌اند و پیستون به نقطه مرگ بالا می‌رسد مقداری سوخت روغنی (گازوئیل) به درون هوا فشرده و داغ موجود در محفظه احتراق پاشیده می‌شود و ذرات سوخت در اثر این درجه حرارت زیاد محترق می‌گردند. پس از خاتمه تزریق سوخت عمل سوختن تا حدود ۳/۲ از زمان قدرت ادامه پیدا می‌کند.

فشار زیاد گازهای منبسط شده (به علت احتراق) پیستون را به طرف پایین و تا نقطه مرگ پایین می‌راند. حرکت پیستون از طریق شاتون به میل‌لنگ منتقل می‌شود و موجب گردش میل‌لنگ می‌گردد. در این مرحله حرارت گازهای مشتعل شده به ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسد و فشار داخل سیلندر تا حدود ۸۰ اتمسفر افزایش می‌یابد.

زمان تخلیه:
با رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین در مرحله قدرت، سوپاپ تخلیه باز می‌شود و به گازهای سوخته تحت فشار اولیه اجازه می‌دهد سیلندر را ترک کند. پس پیستون از نقطه مرگ پایین به طرف بالا حرکت می‌کند و تمام گازهای سوخته را بیرون از سیلندر می‌راند. در پایان پیستون یکبار دیگر به طرف پایین حرکت می‌کند و با شروع زمان تنفس سیکل جدیدی آغاز می‌گردد.

سیکل موتورهای دیزل دوزمانه

در این نوع موتورهای دوزمانه سوپاپ تنفس هوای تازه، نظیر آنچه در موتورهای چهارزمانه ذکر شد وجود ندارد. و به جای آن در فاصله معینی از سه سیلندر، مجراهایی در بدنه سیلندر تعبیه شده است. که پیستون در قسمتی از مسیر خود جلوی آنها را می‌بندد، اصول کار این موتورها در دوزمان است، که در واقع در هر دور چرخش میل‌لنگ اتفاق می‌افتد.

زمان اول:
پیستون از نقطه مرگ پایین به طرف بالا و تا نقطه مرگ بالا حرکت می‌کند. در این زمان پیستون پس از عبور از جلو مجاری تنفس هوای تازه را تاحد معینی متراکم می‌سازد. در طول این زمان سوپاپ تخلیه که در قسمت فوقانی سیلندر و در داخل سه سیلندر قرار دارد کماکان بسته مانده است.

زمان دوم:
در انتهای زمان اول مقداری سوخت روغنی (گازوئیل) به صورت پودر شده به درون هوای متراکم شده و داغ موجود در محفظه احتراق پاشیده می‌شود و ذرات سوخت محترق می‌گردد. فشار زیاد گازهای محترق شده پیستون را به طرف پایین می‌راند. پیستون در مسیر حرکت روبه پایین خود جلو مجاری تنفس هوای تازه را باز می‌کند. در این موقع هوای تازه به شدت وارد سیلندر می‌گردد. در همین حال سوپاپ تخلیه نیز باز می‌گردد و گازهای حاصل از احتراق بوسیله هوای تازه از سیلندر خارج می‌گردند. پس از رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین سیکل جدیدی آغاز می‌شود. نقطهٔ مرگ بالا همان T.D.C است. نقطهٔ مرگ پائین همان B.D.C است.

تفاوت موتور های دیزلی و موتور های بنزینی:

یک موتور بنزینی مخلوط هوا و گاز را مکش می کند و آنرا متراکم می کند و بعد  مخلوط را با جرقه مشتعل می کند  یک موتور دیزلی فقط هوا را می گیرد و  آنرا متراکم می کند و بعداً سوخت را به داخل هوای متراکم تزریق می کند .  گرمای حاصل از متراکم شدن هوا موجب مشتعل شدن خود به خودی سوخت می شود .نسبت تراکم موتور های بنزینی۸:۱ تا۱۲:۱ است، در حالیکه نسبت تراکم موتور های دیزلی ۱۴:۱به بالا مثلاً ۲۵:۱است . نسبت تراکم بالای موتور های دیزلی منجر به بهتر شدن بازده می شود . موتور های بنزینی معمولاً از کاربراتور استفاده می کنند که هوا و سوخت را قبل  از ورود به داخل سیلندر مخلوط می کند یا دریچه تزریق سوخت دارند که فقط سوخت  را پیش از مرحله مکش می پاشد(بیرون سیلندر). موتور های دیزل از تزریق سوخت  مستقیم استفاده می کنند  یعنی سوخت را مستقیماً به داخل سیلندر می پاشند .توجه  کنید که موتور های دیزل شمع ندارند . آنها هوا را می مکند ( مکش می کنند ) و  آنرا متراکم می کنند و سپس سوخت را مستقیماً به داخل محفظه احتراق تزریق می  کنند ( تزریق یا پاشش مستقیم)  و در نتیجه گرمایی حاصل از متراکم شدن هوا  موجب مشتعل شدن سوخت در یک موتور دیزل می شود . در بخش بعدی ما مرحله تزریق  سوخت دیزل را بررسی خوایم کرد.

تزریق  سوخت در موتور های دیزل:

انژکتور در موتور های  دیزل از اجزای  بسیار پیچیده ای تشکیل شده است و موضوع بسیاری از آزمایشات  بزرگ بوده است . ممکن است در هر موتور خاصی در یک مکان مختلف جای گرفته باشد  . انژکتور بایستی قادر باشد تا دما و فشار داخلی سیلندر را تحمل کرده و سوخت  را به قطرات ریز تبدیل کند . گردابی کردن قطرات در داخل سیلندر که باعث پخش  متناسب آنها می شود ، نیز یک چالش است .  بنابراین بعضی موتور های دیزلی  سوپاپ مکش مخصوصی قبل از محفظه احتراق به کار می گیرند یا از وسایل دیگری  برای گردابی (چرخشی) کردن هوا در داخل محفظه احتراق استفاده می کنند و یا در  غیر این صورت جرقه زنی و فرآیند احتراق بهبود می دهند . یکی از تفاوتهای بزرگ  بین موتور های دیزلی و بنزینی در فرآیند تزربق سوخت است . اکثر موتور خودرو  ها از دریچه تزریق ( انژکتور) یا یک کاربراتور استفاده می کنند که نسبت به  تزریق مستقیم ترجیح دارد . بنابراین در یک موتور خودرو ، همه سوخت در داخل  سیلندر در طی مرحله مکش بارگذاری شده و سپس متراکم می شود . مقدار تراکم  مخلوط سوخت و هوا محدود به نسبت تراکم موتور است . اگر موتور هوا را بیش از  اندازه متراکم کند ، مخلوط سوخت و هوا به طور خود به خودی مشتعل می شود و سبب  ضربه زدن می شود . موتور های دیزل تنها هوا را متراکم می کنند، بنابراین نسبت  تراکم می تواند خیلی بالا باشد. نسبت تراکم بالا، قدرت بیشتری تولید می کند .

 موقعی که یک موتور دیزل سرد است، مرحله کمپرس ممکن است دمای هوا را به  اندازه کافی برای مشتعل کردن سوخت بالا نبرد . شمع گرمکن (glow  plug) یک سیم گرمکن الکتریکی است (مانند سیم های داغی که شما در یک برشته کن می  بیننید) که محفظه احتراق را گرم می کند و دمای هوا را موقعی که موتور سرد کار  می کند را افزایش می دهد بنابراین موتور می تواند روشن شود .همه وظایف در موتور های جدید توسط  ارتباطECM** با مجموعه از سنسور های پیچیده ای که هر چیزی را از دور موتور تا دمای روغن و مایع خنک کننده را  اندازه گیری می کنند ، حتی وضعیت موتور(i.e.  T.D.C.)کنترل می شود.

امروزه گرمکن ها به ندرت در  موتور های بزرگ استفاده می شود . ECMدمای هوای محفظه را حس می کند و تایمینگ موتور را در هوای سرد ریتارد می کند، بنابراین انژکتور سوخت را دیرتر تزریق می کند. هوا در داخل سیلندر بیشتر  متراکم می شود در نتیجه گرمای زیادی ایجاد شده، که  به روشن شدن موتور کمک می کند .

موتور های کوچک و موتورهای که کنترل  کامپیوتری پیشرفته ندارند از گرمکن برای حل این مشکل(روشن شدن در هوای سرد)  استفاده می کنند .

البته تنها تفاوت بین موتور های  دیزلی و موتور های بنزینی دلایل مکانیکی نیست ،بلکه از لحاظ سوخت مصرفی شان  نیز دارای تفاوت هستند .

سوخت دیزل:

اگر شما سوخت دیزل (گازوئیل) با بنزین مقایسه کنید،  شما می دانید که آنها متفاوت هستند . آنها مطمئناً بوی متفاوتی دارند . سوخت دیزل (گازوئیل) سنگین تر و روغنی تر است . گازوئیل نسبت به بنزین دیرتر تبخیر  می شود، در واقع نقطه جوش آن نسبت به آب بالاتر است. معمولاً وقتی صحبت از  سوخت دیزل می شود تمام توجهات معطوف به گازوئیل می شود.