موتورهای دیزل چگونه کار می کنند؟
کلمه دیزل نام یک مخترع آلمانی به نام دکتر رودلف دیزل (Rudolf Diesel) است که در سال 1892 میلادی، نوع خاصی از موتورهای احتراق داخلی را به ثبت رساند. به احترام این مخترع، این شکل از موتورها را دیزل می نامند.
در طول بحران نفتی دهه 1970، شرکت های خودروسازی تبلیغات موتورهای دیزلی را برای استفاده تجاری و جایگزینی آن با موتورهای بنزینی شروع کردند. افرادی که خودروهای دیزلی را امتحان کردند کمی ناامید شدند. چون این خودروها بسیار پُر صدا بودند و همچنین رانندگان تا به خانه برسند، از جلو و عقب غرق در دود بودند! با این حال در 30 تا 40 سال گذشته پیشرفت های بسیاری روی عملکرد موتور دیزل و پاکیزگی آن انجام شده است.
در این مقاله شما می توانید با کارکرد موتورهای دیزل آشنا شوید.
موتورهای دیزل به انواع گسترده ای از موتورها گفته می شود که بدون نیاز به جرقه الکتریکی می توانند ماده سوختنی را شعله ور سازند. در این موتورها برای شعله ور ساختن سوخت از شیوه متراکم نمودن گاز و ایجاد حرارت های بالا استفاده می شود.
برای سوزاندن یک ماده سوختنی به دو عامل حرارت و اکسیژن نیاز است. اکسیژن از طریق مجاری ورودی موتور وارد محفظه سیلندر می شود و سپس بوسیله پیستون فشرده می گردد. این فشردگی آنچنان زیاد است که باعث ایجاد حرارت بسیار بالا می گردد. سپس (به منظور جلوگیری از اشتعال پیش رَس) سوخت به داخل هوای متراکم شده تزریق می شود که در نتیجه آن سوخت شعله ور می شود.
یک موتور بنزینی ابتدا مخلوط هوا و گاز را مکش می کند، سپس آن را متراکم نموده و مخلوط را با جرقه شمع مشتعل می کند اما یک موتور دیزلی فقط هوا را می گیرد و آن را متراکم می کند، سپس سوخت را به داخل هوای متراکم تزریق می کند. گرمای حاصل از متراکم شدن هوا موجب مشتعل شدن خودبخودی سوخت می شود.
نکته: در موتورهای دیزل نیازی به شمع نیست.
انیمیشن زیر چرخه موتور دیزل را در عمل نشان می دهد. شما می توانید آن را با انیمیشن موتور بنزینی مقایسه کنید تا تفاوت را ببینید.
نسبت تراکم موتورهای بنزینی 7 به یک تا 11 به یک است، در حالی که این نسبت تراکم در موتورهای دیزلی از 14 به یک تا 25 به یک هم می رسد. نسبت تراکم بالای این موتورها باعث بالا رفتن بازده می شود.
بعضی موتورهای دیزل شامل یک شمع گرمکن هستند. موقعی که یک موتور سرد است، مرحله تراکم ممکن است دما را به اندازه کافی برای مشتعل کردن سوخت بالا نبرد. شمع گرمکن یک سیم گرمکن الکتریکی (مانند رشته های سیمی بخاری برقی) است که وقتی موتور سرد است، محفظه احتراق را گرم می کند. سوخت موتورهای دیزل نیز از نفت سنگین (گازوئیل) است.
گازوئیل نسبت به بنزین دیرتر تبخیر می شود و در واقع نقطه جوش آن بالاتر است. از لحاظ محیط زیست، گازوئیل دارای مزایا و معایبی است. دیزل مقدار بسیار کمی مونوکسید کربن، هیدروکربن و دی اکسید کربن که منجر به گرم شدن زمین می شوند، منتشر می کند. در مقابل مقدار زیادی از ترکیبات نیتروژن و ذرات جامد (دوده) از سوختن دیزل آزاد می شود که منجر به باران اسیدی و شرایط نامناسب دیگر می گردد.
چرخه موتورهای دیزل چهار زمانه
ساختار موتورهای دیزل تنها در سیستم تغذیه و تنظیم سوخت با موتورهای اشتعال جرقه ای تفاوت می کند. بنابراین ساختار مشابهی میان این موتورها وجود دارد. موتورهای دیزل بر اساس نحوه کار کردن به دو دسته موتورهای 4 زمانه و 2 زمانه تقسیم می شوند، اما در هر دوی این موتورها چهار عمل اصلی انجام می گیرد که عبارتند از: مکش (تنفس)، تراکم، انفجار و تخلیه، که بر حسب نوع موتورها ممکن است این مراحل مجزا و یا به صورت توامان انجام گیرند.
- مرحله مکش: در این مرحله، پیستون از بالاترین مکان (نقطه مرگ بالا) به طرف پایین ترین مکان خود در سیلندر (نقطه مرگ پایین) حرکت می کند. در این زمان، سوپاپ تخلیه بسته و سوپاپ هوا باز است. با پایین آمدن پیستون، یک خلاء نسبی در سیلندر ایجاد می شود و هوا از طریق مجرای سوپاپ هوا وارد سیلندر می گردد. در انتهای این مرحله، سوپاپ هوا بسته شده و هوا در سیلندر حبس می گردد.
- مرحله تراکم: در این مرحله، در حالی که هر دو سوپاپ (هوا و تخلیه) بسته اند، پیستون از نقطه مرگ پایین به طرف بالا حرکت می کند و هوای داخل سیلندر متراکم می گردد. زمانی که این تراکم به 15 تا 20 برابر می رسد، فشار داخل سیلندر تا حدود 40 اتمسفر بالا می رود. بر اثر این تراکم زیاد، حرارت هوای داخل سیلندر به شدت افزایش یافته و به حدود 600 درجه سانتیگراد می رسد.
- مرحله انفجار: در انتهای زمان تراکم، در حالی که هر دو سوپاپ همچنان بسته هستند و پیستون به نقطه مرگ بالا رسیده است، مقداری سوخت روغنی (گازوئیل) به درون هوای فشرده و داغ موجود در محفظه احتراق پاشیده می شود. در این لحظه، ذرات پودری سوخت در اثر درجه حرارت زیاد ناگهان محترق می گردند. فشار زیاد گازهای منبسط شده (به علت احتراق) پیستون را به طرف پایین و تا نقطه مرگ پایین می راند. حرکت پیستون از طریق شاتون به میل لنگ منتقل می شود و موجب گردش میل لنگ می گردد. در این مرحله، حرارت گازهای مشتعل شده به 2000 درجه سانتیگراد می رسد و فشار داخل سیلندر تا حدود 80 اتمسفر افزایش می یابد.
- مرحله تخلیه: با رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین، سوپاپ تخلیه باز می شود و به گازهای سوخته تحت فشار اولیه اجازه می دهد، سیلندر را ترک کنند. سپس پیستون به طرف بالا حرکت می کند و تمام گازهای سوخته را از سیلندر بیرون می راند. در پایان این مرحله، پیستون یکبار دیگر به طرف پایین حرکت می کند و با شروع زمان تنفس، چرخه جدیدی آغاز می گردد.
طی سال های متمادی از موتور دیزل عمدتاً در کارهای سنگین از قبیل تولید برق، تلمبه کردن آب، راندن قایق های مسافربری و باری و همچنین برای تولید قدرت جهت کارخانجات استفاده می شد.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «موتورهای دیزل چگونه کار می کنند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
