در طول یک ثانیه درون موتور چهارزمانه چه اتفاقی می‌افتد؟
این صفحه را به اشتراک بگذارید
در موتور چهارزمانه، یک ثانیه توالی متراکمی از فعالیت مکانیکی است: پیستون ده‌ها حرکت رفت‌وبرگشت کامل میان نقطه مرگ بالا و پایین انجام میدهد، سوپاپ‌ها با زمانبندی بی‌نقص باز و بسته می‌شوند و در هر دو دور میل‌لنگ تنها یک بار احتراق کار تولید میکند. مکش، تراکم، توان و اگزوز: هر یک از این چهار زمان معادل 180 درجه کامل میل‌لنگ است و هرچه موتور با دور بالاتری کار کند، یک زمان در کسری کوچکتر از ثانیه فشرده میشود.
نکات برجسته
- یک چرخه کامل 720°، یعنی دو دور میل‌لنگ طول می‌کشد؛ هر زمان 180° به خود اختصاص میدهد.
- توان تنها در یکی از چهار زمان تولید میشود: در هر 2 دور یک بار زمان توان وجود دارد.
- شمع معمولاً حدوداً 20 درجه زاویه میل‌لنگ پیش از نقطه مرگ بالا جرقه را آغاز میکند.
- موتور احتراق داخلی به طور میانگین تنها 40 تا 45 درصد انرژی دریافتی را به کار مکانیکی تبدیل میکند.
- در موتورهای صنعتی، سرعت متوسط پیستون به حدود 10 متر بر ثانیه محدود میشود.
موتور چهارزمانه چگونه کار میکند: چهار گام درون سیلندر
همه چیز با تعریف «کورس» آغاز میشود: کورس، یک حرکت رفت کامل پیستون در هر جهت در طول سیلندر است. وقتی پیستون در بالاترین موقعیت خود است، در نقطه مرگ بالا (TDC) و وقتی در پایین‌ترین موقعیت است، در نقطه مرگ پایین (BDC) قرار دارد. چرخه چهارزمانه میان این دو نقطه و در طول چهار کورس و دو دور کامل میل‌لنگ امتداد مییابد. حرکت خطی پیستون از طریق شاتون میل‌لنگ را می‌چرخاند؛ میل‌لنگ برای تمام چهار زمان، 720 درجه می‌چرخد.
نقش سوپاپ‌ها در این چرخه حیاتی است. سوپاپ‌های مکش و اگزوز توسط یک میل‌سوپاپ (کم‌شفت) کنترل می‌شوند که با نصف سرعت میل‌لنگ می‌چرخد. این نسبت نصف سرعت تصادفی نیست، بلکه ضرورت است: چون رویدادهای سوپاپ باید به زاویه میل‌لنگ قفل شوند، میل‌سوپاپ هر چرخه را با نیمی از دور میل‌لنگ دنبال میکند.
1. مکش: مکیدن هوا به داخل با خلأ جزئی
وقتی پیستون از نقطه مرگ بالا به سمت پایین حرکت میکند، سوپاپ مکش باز است. پایین رفتن پیستون حجم سیلندر را افزایش میدهد و درون آن خلأ جزئی، یعنی فشار منفی ایجاد میکند. این اختلاف فشار مخلوط هوا-سوخت را به سیلندر می‌کشد. زمان مکش، حرکت کامل پیستون از TDC به BDC است و 180 درجه اول چرخه را پوشش میدهد.
2. تراکم: متراکم کردن انرژی
در نقطه مرگ پایین، سوپاپ مکش بسته میشود و تراکم آغاز میشود. اکنون هر دو سوپاپ بسته‌اند؛ پیستون با بالا رفتن، مخلوط هوا-سوخت را در حجم کوچک اتاق احتراق فشرده میکند. تراکم دو کارکرد دارد: تبخیر بیشتر بخار سوخت و آزادسازی انرژی بیشتر هنگام احتراق. انرژی صرف‌شده برای تراکم تنها حدود یک‌چهارم انرژی تولیدشده در احتراق است؛ یعنی این سرمایه‌گذاری سودآور است.
اندازهگیری نسبت تراکم یکی از سریع‌ترین راه‌ها برای درک شخصیت موتور است. در موتورهای بنزینی، بازه رایج میان 6:1 تا 10:1 است؛ هرچه نسبت بالاتر رود، بازدهی افزایش مییابد اما خطر خوداشتعالی بنزین، یعنی کوبش نیز بالا میرود. به همین دلیل، اکتان بنزین معیار سنجش مقاومت در برابر خوداشتعال است: اکتان بالاتر، اجازه نسبت تراکم بالاتر را میدهد.
3. قدر: تنها زمانی از چرخه که کار تولید میکند
در پایان زمان تراکم، تقریباً 20 درجه زاویه لنگ پیش از نقطه مرگ بالا، 20 درجه زاویه لنگ پیش از آن شمع جرقه را ایجاد میکند. چرا دقیقاً در اوج نیست؟ چون جبهه شعله برای پیشروی در سراسر محفظه احتراق به زمان نیاز دارد؛ در حالی که جرقه از قبل زده میشود، اوج فشار دقیقاً هنگامی که پیستون در بالا است به گونه‌ای شکل می‌گیرد که نیروی رانش ایجاد کند. مخلوط در حال سوختن، پیستون را به سمت نقطه مرگ پایین هُل میدهد و کار مکانیکی چرخاندن میل‌لنگ را تولید میکند. در سراسر چرخه، تنها این زمان کار تولید میکند؛ صرف‌نظر از تعداد سیلندرها، هر موتور چهارزمانه در هر 720 درجه یک زمان قدر دریافت میکند. راز کارکرد نرم موتورهای چندسیلندره، ترکیب این زمان‌های قدر روی میل‌لنگ است.
4. اگزوز: تخلیه محفظه احتراق
هنگامی که پیستون به نقطه مرگ پایین می‌رسد، سوپاپ اگزوز باز میشود و در 180 درجه پایانی چرخه، پیستون با بالا رفتن، گازهای زائد را از پورت اگزوز به بیرون می‌راند. هنگام رسیدن به نقطه مرگ بالا، سیلندر پاک‌سازی شده، سوپاپ مکش آماده باز شدن دوباره است و چرخه از نو آغاز میشود. هر پرشدن سیلندر، برقراری دوباره چرخه دورانی است.
با افزایش دور موتور، هر زمان چقدر طول می‌کشد؟
پاسخ این پرسش با حساب مطلق به دست می‌آید. از آنجا که یک چرخه کاری دو دور لنگ طول می‌کشد، دور موتور مستقیماً مدت زمان هر مرحله را تعیین میکند. برای مثال، در 1.000 دور در دقیقه موتور تقریباً 16.7 دور در ثانیه می‌زند؛ یک چرخه کامل حدود 60 میلی‌ثانیه طول می‌کشد، یعنی هر زمان 15 میلی‌ثانیه است. در 6.000 دور در دقیقه 100 دور در ثانیه وجود دارد و هر زمان از جمله زمان قدر به حدود 2.5 میلی‌ثانیه می‌رسد. احتراق، حرکت سوپاپ و جریان گاز همگی باید در این مقیاس‌ها هماهنگ باشند.
سقف دور موتور را نیز فیزیک تعیین میکند. سرعت متوسط پیستون تابعی از کورس و دور موتور است؛ در موتورهای صنعتی این سرعت به حدود 10 متر بر ثانیه محدود میشود تا روانکاری دیواره سیلندر آسیب نبیند. در دورهای بالا دو مشکل معمول ظاهر میشود: اگر فنرهای سوپاپ نتوانند همراه شوند، «شناوری سوپاپ» رخ میدهد و تماس پیستون و سوپاپ می‌تواند موتور را بهطور جدی آسیب بزند. همچنین لرزش رینگ‌های پیستون می‌تواند به افت فشار سیلندر و کاهش قدر منجر شود. خلاصه اینکه مرز فشرده شدن یک زمان در کسری هرچند کوچک از ثانیه، با استحکام مواد و روانکاری ترسیم میشود.
بنزینی یا دیزلی: چرخه یکسان، احتراق متفاوت
مراحل چرخه چهارزمانه در هر دو موتور یکسان است؛ تفاوت در روش احتراقی است که زمان قدر را آغاز میکند. موتور بنزینی احتراق با جرقه است: شمع، مخلوط فشرده‌شده را مشتعل میکند. اما موتور دیزلی احتراق با تراکم است؛ گرمای بالای حاصل از تراکم، سوخت دیزل را که می‌تواند تحت فشارهای درون موتور خودبه‌خود مشتعل شود، آتش می‌زند و نیازی به شمع نیست. تمایل اشتعال دیزل با عدد ستان (cetane) تعریف میشود؛ کاملاً برعکس منطق عدد اکتان در بنزین عمل میکند. به دلیل تبخیرپذیری پایین دیزل، رایج‌ترین روش روشن کردن در سرما استفاده از شمع گدازنده (پری‌هیت) است.
| ویژگی | موتور بنزینی | موتور دیزلی |
|---|---|---|
| احتراق | جرقه‌ای (شمع‌ها) | تراکمی (حرارت تراکم) |
| چرخه | چرخه اتو (Otto) | چرخه دیزل |
| مقاومت سوخت در برابر احتراق | عدد اکتان | عدد ستان (Cetane) |
| نسبت تراکم | معمولا 6:1 تا 10:1 | دمای تراکم بالا و مناسب برای احتراق خودبهخودی |
| خصوصیت دور موتور | در دورهای بالاتر کار میکند | در دورهای پایینتر کار میکند؛ سوخت آهستهتر میسوزد |
سریعتر سوختن بنزین در مقایسه با سوختن آهستهتر گازوئیل توضیح میدهد که چرا موتورهای دیزل در دورهای پایینتر کار میکنند؛ دور پایین نیز ساییدگی موتور را کاهش میدهد. بنابراین تفاوت شخصیت این دو موتور از خود چرخه نمیآید، بلکه از سرعت احتراق سوخت ناشی میشود.
فناوریهای مدرن چگونه این ۷۲۰ درجه را بهبود میبخشند؟
چرخه پایه از سال 1876 تاکنون تغییر نکرده است؛ آنچه تغییر کرده، میزان بهرهوری استفاده از هر بخش 180 درجهای است. سه کمک مدرن برجسته هستند.
زمانبندی متغیر سوپاپ (VVT)
میل سوپاپ ثابت، رویدادهای سوپاپ را تنها در یک باند دور موتور بهینه میکند. اما زمانبندی متغیر سوپاپ، زمانبندی رویداد باز شدن سوپاپ را بر اساس دور موتور بهصورت بلادرنگ تنظیم کرده و توزیع قدرت بهینه و شتابگیری روانتر را فراهم میکند. مدیریت بهتر مخلوط هوا-سوخت، بازده احتراق را بهبود میبخشد؛ در شرایط بار جزئی، تا 5 درصد بهبود در اقتصاد سوخت اندازهگیری شده است.
تزریق مستقیم (GDI)
در تزریق مستقیم که امروزه در بسیاری از موتورهای بنزینی چهارزمانه استفاده میشود، نازل انژکتور به داخل محفظه احتراق امتداد مییابد و بنزین با فشار بسیار بالا، در طول زمان تراکم و هنگامی که پیستون در بالاترین نقطه است، به داخل سیلندر پاشیده میشود. یعنی سوخت دیگر در زمان مکش، بلکه در بحرانیترین بخش چرخه با دقت میلی متری تحویل داده میشود.
توربوشارژ: گرفتن قدرت از زمان تخلیه
توربوشارژ مجموعه توربین دوقطبی با دور بالا واقع در خروجی اگزوز است: یک طرف با جریان اگزوز تغذیه میشود و طرف دیگر هوای مکش را متراکم میکند. زمان تخلیه اغلب حامل انرژی هدررفته است؛ توربو از همین فشار کار میکند، بنابراین بازده بیشتری دارد و با فشار آوردن هوای بیشتر به سیلندر، امکان گرفتن قدرت بیشتر از هر زمان قدرت را فراهم میکند. در یک مطالعه با توربوشارژ متغیر، قدرت خروجی در حدود 165 درصد بهبود یافته است. محدودیت شناختهشده این طراحی، تأخیر توربو است: قدرت بهصورت آنی نمیرسد، افزایش دور و فشار لازم است؛ در حالت درجا و سرعتهای پایین تا متوسط، موتور تقریبا مانند موتور تنفس طبیعی کار میکند.
سقف بازده و تاریخچهای کوتاه
یک موتور احتراق داخلی بهطور میانگین تنها حدود 40 تا 45 درصد انرژی دریافتی را به کار مکانیکی تبدیل میکند؛ بازدهترین موتورهای چرخه اتو با بازده حرارتی حدود 30 درصد کار میکنند و گرمای باقیمانده در اصطکاک و تجهیزات جانبی از دست میرود. افزون بر این، موتورها میتوانند عمدا کمی کمبازدهتر ساخته شوند تا برای کنترلهای انتشار مانند کاتالیزور مناسب باشند. چرخه اتکینسون نیز بازدهی را به بهای چگالی قدرت فراهم میکند و در کاربردهای هیبریدی مدرن استفاده میشود؛ بسیاری از موتورهای مدرن با زمانبندی سوپاپ غیرمتعارف برای ایجاد اثر تراکم کوتاه و زمان قدرت طولانی، این صرفهجویی را تحقق میبخشند.
تاریخچه نیز آموزنده است: اتو در سال 1861 هنگام آزمایش موتور لنویر به تأثیر تراکم بر راندمان پی برد؛ در سال 1876 اتو و لانگن نخستین موتور احتراق داخلی موفق را که مخلوط سوخت را پیش از احتراق متراکم می‌کرد، ساختند. در سال 1883 دایملر و مایباخ نخستین موتور اتوی پرسرعت را ساختند و در سال 1885 دایملر با Reitwagen نخستین وسیله نقلیه با موتور احتراق داخلی جهان را تولید کرد؛ در سال 1886 کارل بنز، خودروی خود با موتور چهارزمانه را که نخستین خودرو به شمار می‌آید، توسعه داد. موتور دیزل، یک پالایش فنی چرخه اتوی 1876 است: رودولف دیزل موتور موفق خود را در سال 1893 ساخت. امروزه طراحی چهارزمانه، در گستره‌ای از خودروها تا کامیون‌ها، از قطارهای دیزلی تا هواپیماهای سبک و موتورسیکلت‌ها، رایج‌ترین معماری موتور احتراق داخلی وسایل نقلیه جاده‌ای است.
نتیجه‌گیری: چهار برش 180 درجهای
تمام فیزیک موتور چهارزمانه را می‌توان به چهار برش تقسیم‌شده بر یک چرخش 720 درجهای میل‌لنگ تقلیل داد: پرکردن با خلأ، تراکم در حجم بسته، احتراق که تنها یک‌بار کار تولید میکند و تخلیه. فناوری‌هایی مانند زمانبندی سوپاپ، انژکتور و توربو همگی در خدمت یک هدف واحد هستند: استخراج راندمان بیشتر از هر میلی‌ثانیه این برش‌ها. وقتی این اصل روشن شود، بقیه فناوری موتور از نسبت تراکم تا تأخیر توربو بسیار خواناتر میشود.