Dört Zamanlı Motorun İçində Bir Saniyədə Nələr Baş Verir?
Bu Səhifəni Paylaşın
Dördtaktı mühərrikdə bir saniyə, pistonda üst və alt ölü nöqtələr arasında onlarla tam gedib-gəlmənin, klapanların mükəmməl vaxtlamayla açılıb-bağlanmasının və hər iki krank fırlanmasında yalnız bir dəfə yanmanın iş yaratdığı sıx bir mexaniki ardıcıllıqdır. Enmə, sıxma, güc və egzoz: bu dördddən hər biri krankmilinin tam 180 dərəcəsinə uyğundur və mühərrik nə qədər yüksək fırlanmada işləsə, bir takt bir o qədər kiçik saniyə kəsrinə sıxışır.
Diqqət Çəkənlər
- Bir tam dövr 720°, yəni krankmilinin iki fırlanması davam edir; hər takt 180° çəkir.
- Güc yalnız dörd taktdan birində istehsal olunur: hər 2 fırlanmada bir güc taktı var.
- Şam tipik olaraq üst ölü nöqtədən təxminən 20° krank bucağı əvvəl qığılcımı başladır.
- Daxili yanma mühərriki verilən enerjinin orta hesabla yalnız %40-45-ni mexaniki işə çevirir.
- Sənaye mühərriklərində orta piston sürəti təxminən 10 m/s ilə məhdudlaşır.
Dördtaktı Mühərrik Necə İşləyir: Silindirin İçindəki Dört Addım
Hər şey "tərpəniş" (strok) anlayışı ilə başlayır: tərpəniş, pistonda silindr boyunca istənilən istiqamətdə tam hərəkətidir. Piston ən yuxarı vəziyyətdə olduqda üst ölü nöqtədə (TDC), ən aşağı vəziyyətdə olduqda isə alt ölü nöqtədə (BDC) deyilir. Dördtaktı dövr bu iki nöqtə arasında dörd tərpəniş və krankmilinin iki tam fırlanması boyunca davam edir. Pistonun xətti hərəkəti biyelüstü vasitəsilə krankmilini fırladır; dört taktdın hamısı üçün krankmili 720 dərəcə fırlanır.
Klapanların bu dövrdəki rolu çox önemlidir. Enmə və egzoz klapanları krankmilinin yarısı qədər sürətlə fırlanan eksantrik mili (kamshaft) tərəfindən idarə olunur. Bu yarım sürət nisbəti təsadüfi deyil, zərurilikdir: klapan hadisələrinin krank bucağına kilidlənməsi lazım olduğu üçün eksantrik mili hər dövrü krankmilinin yarım fırlanması ilə izləyir.
1. Enmə: Qismi vakuumla içinə hava çəkmək
Piston üst ölü nöqtədən aşağı enməyə başladıqda enmə klapanı açıqdır. Pistonun enişi silindr həcmini böyüdür və içəridə qismi vakuum, yəni mənfi təzyiq yaradır. Bu təzyiq fərqi hava-yanacaq qarışığını silindrə çəkir. Enmə taktı pistonda TDC-dən BDC-yə tam enişdir və dövrün ilk 180 dərəcəsini əhatə edir.
2. Sıxma: Enerjini sıxlaşdırmaq
Alt ölü nöqtədə enmə klapanı bağlanır və sıxma başlayır. İndi hər iki klapan da bağlıdır; piston yuxarı qalxaraq hava-yanacaq qarışığını yanma kamerasının dar həcminə sıxır. Sıxmanın iki funksiyası var: yanacaq buxarının daha çox buxarlanmasını təmin etmək və alovlanmada daha çox enerji açıb vermək. Sıxmaq üçün sərf olunan enerji, yanmada yaranan enerjinin yalnız təxminən dörddə biridir; yəni sərmayə qazanclıdır.
Sıxma əmsalını ölçmək mühərrik xarakterini anlamağın ən sürətli yollarından biridir. Benzinli mühərriklərdə yayılmış aralıq 6:1 ilə 10:1 arasındadır; əmsal artdıqca səmərəlilik artır, lakin benzinin öz-özünə alışması, yəni zərbə riski də yüksəlir. Buna görə benzinin oktan reytinqi öz-özünə alışmaya müqavimətin ölçüsüdür: daha yüksək oktan daha yüksək sıxma əmsalına imkan verir.
3. Güc: Dövrünün yalnız iş hasil edən vaxtı
Sıxma vaxtının sonunda, üst ölü nöqtədən təxminən 20° krank bucağı əvvəl bucda qığılcım başladır. Nə üçün tam təpədə deyil? Çünki alov cəbhəsi yanma kamerası boyunca irəliləmək üçün vaxt istəyir; qığılcım əvvəlcədən çıxarılanda təzyiq zirvəsi tam piston təpədə olarkən itələmə təmin edəcək şəkildə formalaşır. Yanan qarışıq pistonu BDC-yə doğru itərək krank milini döndərən mexaniki işi hasil edir. Dövrünün tamamı boyu yalnız bu vaxt iş hasil edir; silindr sayı nə olursa olsun, hər dörd taktlı mühərrik 720 dərəcədə bir güc vaxtı alır. Çoxsilindrli mühərriklərin hamar işləməsinin sirri, bu güc vaxtlarının krank milində birləşdirilməsidir.
4. Egzoz: Yanma kamerasını boşaltmaq
Piston alt ölü nöqtəyə çatdıqda egzoz klapanı açılır və dövrünün son 180 dərəcəsində piston yuxarı qalxaraq tullantı qazlarını egzoz kanalından xaricə atır. Üst ölü nöqtəyə çatıldıqda silindr təmizlənmiş, emmə klapanı yenidən açılmağa hazırdır və dövr əvvəldən başlayır. Silindrin hər dolması, iki dönüşlü dövrün yenidən qurulması deməkdir.
Dönüş Artdıqca Bir Takt Nə Qədər Vaxt Aparır?
Sualın cavabı saf arifmetiklə tapılır. Bir işləmə dövrü iki krank dönüşü davam etdiyi üçün, mühərrikin dönüşü bir vaxtın müddətini birbaşa müəyyən edir. Nümunə olaraq 1.000 rpm də mühərrik saniyədə təxminən 16,7 dönüş edir; tam bir dövr təxminən 60 millisekund, yəni bir vaxt isə 15 millisekund çəkir. 6.000 rpm də isə saniyədə 100 dönüş var və güc vaxtı daxil hər vaxt təxminən 2,5 millisekunda enir. Yanma, klapan hərəkəti və qaz axınınin hamısı bu ölçülərdə təşkil olunmalıdır.
Dönüş tavanını da fizika müəyyən edir. Orta piston sürəti, gediş və dönüşün funksiyasıdır; sənaye mühərriklərində bu sürət, silindr divarının yağlanmasının pozulmaması üçün təxminən 10 m/s ilə məhdudlaşır. Yüksək dönüşdə iki tipik problem meydana çıxır: klapan yayları yetişməsə "klapan üzməsi" yaranır və piston-klapan təması mühərriki ciddi şəkildə zədələyə bilər. Həmçinin seqment titrəməsi, silindr təzyiqində və gücdə itkiyə səbəb ola bilər. Qısacası, bir vaxtın saniyə içində nə qədər kiçik kəsərə sıxıla biləcəyinin sərhədi, material möhkəmliyi və yağlanma ilə çəkilir.
Benzinli yoxsa Dizel: Eyni Dövr, Fərqli Alovlanma
Dörd taktlı dövrünün addımları hər iki mühərrikdə də eynidir; fərq, güc vaxtını başladan alovlanma üsulundadır. Benzinli mühərrik qığılcımla alovlanmalıdır: buc, sıxılmış qarışığı aləndləndirir. Dizel isə sıxma ilə alovlanmalıdır; sıxma nəticəsində yaranan yüksək istilik, mühərrik daxilindəki təzyiqlər altında alənlənə bilən dizel yanacağını öz-özünə alovlandırır və bucaya ehtiyac duyulmur. Dizelin alənlənmə meyli setan (cetane) reytinqi ilə müəyyən olunur; benzindəki oktan reytinqinin tam əksinə bir məntiqlə işləyir. Dizelin aşağı uçuculuğu səbəbindən soyuqda işə salmanın ən geniş yayılmış üsulu qızdırıcı buc istifadəsidir.
| Xüsusiyyət | Benzinli Mühərrik | Dizel Mühərrik |
|---|---|---|
| Alovlanma | Qığılcımla alovlanma (buclar) | Sıxma ilə alovlanma (sıxma istiliyi) |
| Çevrim | Otto çevrimi | Dizel çevrimi |
| Yakıt direnci ölçüsü | Oktan reytinqi | Setan (cetane) reytinqi |
| Sıxılma nisbəti | Tipik 6:1 – 10:1 | Sıxılma istiliyi alovlanmaya elverişli, yüksək |
| Dövran xarakteristikası | Daha yüksək dövrandə işləyir | Daha aşağı dövrandə işləyir; yanacaq daha yavaş yanır |
Dizel yanacağın benzindən daha yavaş yanması, dizel mühərriklərin niyə daha aşağı dövrandə işlədiyini izah edir; aşağı dövran isə mühərrikin aşınmasını azaldır. Buna görə də hər iki mühərrikin xarakter fərqi, çevrimdən deyil, yanacağın yanma sürətindən yaranır.
Müasir Texnologiyalar Bu 720 Dərəcəni Necə Yaxşılaşdırır?
Əsas çevrim 1876-cı ildən bəri dəyişməyib; dəyişən, hər 180 dərəcəlik dilimin nə qədər səmərəli istifadə olunmasıdır. Üç müasir töhfə önə çıxır.
Dəyişən klapan vaxtlaması (VVT)
Sabit eksantrik valı, klapan hadisələrini yalnız bir dövran diapazonuna optimallaşdırır. Dəyişən klapan vaxtlaması isə klapan qalxma hadisəsinin vaxtlamasını mühərrik dövranına uyğun real vaxt rejimində tənzimləyərək optimal güc paylanmasını və daha axıcı sürətlənmə təmin edir. Hava-yanacaq qarışığının daha yaxşı idarə olunması yanma səmərəliliyini yaxşılaşdırır; qismən yük şəraitində %5-ə qədər yanacaq iqtisadiyyatı yaxşılaşması ölçülmüşdür.
Birbaşa inyeksiya (GDI)
Bu gün bir çox dördtakta benzinli mühərrikdə istifadə olunan birbaşa inyeksiyada inyektor nozzle yanma kamerasına uzanır və benzin çox yüksək təzyiqlə, porşen yuxarıda olarkən sıxılma zamanı ərzində silindrə püskürdülür. Yəni yanacaq artıq sorulma zamanında deyil, çevrimin ən kritik dilimində, millimetrik dəqiqliklə çatdırılır.
Turboçarj: Egzoz zamanından güc götürmək
Turboçarj, egzoz çıxışında yerləşən yüksəkdövranlı ikihissəli turbin qrupudur: bir tərəf egzoz axını ilə qidalanır, digər tərəf sorulan havanı sıxır. Egzoz zamanı əksər hallarda boşa gedən enerji daşıyır; turbo bu təzyiqlə işlədiyi üçün daha səmərəli işləyir və silindrə daha çox hava məcbur edərək hər güc zamanından daha çox güc alınmasını təmin edir. Dəyişən turboçarjlı bir tədqiqatda, təbii sorulmuş tipə nisbətən çıxış gücü %165 oranında yaxşılaşdırılmışdır. Dizaynın məlum məhdudiyyəti turbo gecikməsidir: güc dərhal gəlmir, dövran və təzyiq artışı tələb olunur; boş gedişdə və aşağı-orta sürətlərdə mühərrik demək olar ki, təbii sorulmuş kimi işləyir.
Səmərənin Tavanı və Qısa Bir Tarixçə
Daxili yanma mühərriki verilən enerjinin orta hesabla yalnız %40-45-ini mexaniki işə çevirə bilir; ən səmərəli Otto çevrimi mühərrikləri təxminən %30 termal səmərəliliklə işləyir və qalan istilik, sürtünmə ilə aksesuarlarda itir. Üstəlik mühərriklər, katalitik konvertor kimi emissiya nəzarətləri üçün qəsdən bir az daha az səmərəli qurula bilər. Atkinson çevrimi isə səmərəliliyi güc sıxlığı hesabına təmin edir və müasir hibrid tətbiqlərdə istifadə olunur; bir çox müasir mühərrik, qısa sıxılma və uzun güc zamanı effekti yaratmaq üçün qeyri-adi klapan vaxtlaması ilə bu iqtisadiyyatı həyata keçirir.
Tarixçə də öyrədicidir: Otto 1861-ci ildə Lenoir mühərrikini sınaqdan keçirərkən sıxılmanın səmərəliliyə təsirini fərq etdi; 1876-cı ildə Otto və Langen yanacaq qarışığını yanmadan əvvəl sıxan ilk uğurlu daxili yanma mühərrikini yaratdı. 1883-cü ildə Daimler və Maybach ilk yüksək sürətli Otto mühərrikini, 1885-ci ildə Daimler Reitwagen ilə dünyanın ilk daxili yanma mühərrikli nəqliyyat vasitəsini istehsal etdi; 1886-cı ildə Karl Benz dörttakarlı mühərrikli və ilk avtomobil sayılan vasitəsini inkişaf etdirdi. Dizel mühərrik, 1876 Otto dövrünün texniki təkmilləşdirilməsidir: Rudolf Diesel uğurlu mühərrikini 1893-cü ildə yaratdı. Bu gün dörttəkərli dizayn avtomobillərdən yük maşınlarına, dizel qatarlardan yüngül təyyarələrə və motosikletlərə qədər uzanan diapazonda avtomobil nəqliyyat vasitələrinin ən geniş yayılmış daxili yanma mühərriki memarlığıdır.
Nəticə: 180 Dərəcəli Dört Dilim
Dörttəkərli mühərrikin bütün fizikası kürək milinin 720 dərəcəlik bir dönüşünə bölünmüş dört dilimə sadələşdirilə bilər: vakuumla doldurma, qapalı həcmdə sıxılma, bir dəfə iş istehsal edən yanma və təmizləmə. Klapan vaxtı, inyeksiya və turbo kimi texnologiyaların hamısı eyni məqsədə xidmət edir; bu dilimlərin hər millisanisindən daha çox səmərə çıxarmağa. Bu əsas aydınlaşdıqda, sıxılma nisbətindən turbo gecikməsinə qədər mühərrik texnologiyasının qalan hissəsi çox daha oxunaqlı olur.