موتورهای چهار زمانه پیستونی

انواع، اجزاء اصلی، اساس طرز کار

موتورهای احتراقی پیستونی، قلب تپنده اکثر وسایل نقلیه امروزی از جمله خودروها، موتورسیکلت‌ها و قایق‌ها هستند. این موتورها که زیرمجموعه‌ای از انواع موتورهای احتراقی محسوب می‌شوند، عموماً بر اساس سیکل چهارزمانه کار می‌کنند تا با مصرف سوختی بهینه، بیشترین توان ممکن را تولید کنند. در این مقاله قصد داریم به زبان ساده و فنی، بررسی کنیم که یک موتور چهار زمانه چگونه کار می‌کند و مراحل مکش تا تخلیه در آن به چه صورت انجام می‌شود.

تقسیم‌بندی و بررسی طرز کار موتورهای احتراق داخلی بر اساس سیکل کاری

موتورهای احتراق داخلی پیستونی از نظر سیکل کاری به دو دسته کلی موتورهای چهار زمانه و موتورهای دو زمانه تقسیم‌بندی می‌شوند. (شکل 1)

شکل 1 – تقسیم‌بندی موتورهای احتراق داخلی از نظر سیکل کاری

قطعات اصلی موتورهای پیستونی (موتور چهار زمانه)

در موتورهای احتراق داخلی پیستونی، قطعاتِ اصلی وجود دارد که عملیات اصلی تولید قدرت را انجام می‌دهند.
این قطعات به طور معمول در موتورهای مختلف پیستونی وجود دارند، اگرچه ابعاد، طراحی قطعه و جنس آنها ممکن است در موتورهای مختلف، متفاوت باشد.
برخی از اصلی ترین قطعات موتورهای احتراق داخلی پیستونی چهار زمانه و دو زمانه شامل، بلوکه موتور، سیلندر، پیستون و رینگ‌های پیستون، سرسیلندر، سوپاپ، شاتون و میل‌ لنگ است. (شکل 2)

1-سرسیلندر 2- سوپاپ‌ها 3- پیستون و رینگ‌ها 4- شاتون 5- بلوکه موتور و سیلندرها 6- میل‌لنگ
شکل 2- قطعات اصلی موتورهای احتراق داخلی پیستونی

برخی از این قطعات مانند سرسیلندر و بلوکه موتور و سیلندر، ثابت هستند و برخی دیگر مثل پیستون، شاتون، سوپاپ و میل‌لنگ دائماً حرکت می‌کنند.

طرز کار موتور چهار زمانه؛ تشریح مراحل چهارگانه (مکش تا تخلیه)

در موتور چهار زمانه که بر مبنای سیکل ترمودینامیکی اتو، کار می‌کنند، برای انجام یک سیکل کامل، چهار مرحله (کورس) لازم است، به عبارتی برای توليد يک کار مکانيکی در هر سيکل، چهار مرتبه پيستون به طرف بالا و پایين حرکت می کند. برای پی بردن به نحوه کار موتور چهار زمانه احتراقی يک، واحد (سيلندر) آن را مورد بررسی قرار می دهيم.
لازم به ذکر است که در خودروهای هیبریدی از سیکل بهینه شده‌ای به نام اتکینسون استفاده می‌گردد که در مقاله جداگانه‌ای به جزئیات آن پرداخته خواهد شد.

تولید کار در موتور چهار زمانه

تولید کار و قدرت در سیلندر موتور احتراق داخلی چهار زمانه، در چهار مرحله مکش، تراکم، انفجار و تخلیه انجام می‌شود. (شکل 3)

شکل 3- مراحل کاری موتور چهار زمانه

در ادامه به بررسی تئوری مراحل کاری موتورهای چهار زمانه می‌پردازیم و در مقالات بعد، اصلاح تایمینگ سوپاپ‌ها و زمان‌بندی عملی کورس‌های مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را بررسی خواهیم کرد.

مرحله اول: کورس مکش (Intake Stroke)؛ نحوه ورود سوخت و هوا

در کورس مکش (تنفس)، پیستون از بالاترین نقطه در سیلندر (نقطه مرگ بالا) به طرف پایين حرکت می کند. به علت آب بند بودن محفظه سیلندر و سرعت بالا در پایين رفتن پیستون و نیز بزرگ شدن ناگهانی حجم بالای پيستون، فشار داخل سیلندر کمتر از فشار خارج مي شود (در سیلندر، خلاء نسبی بوجود می آيد)، در اين زمان مجرای ورودی (سوپاپ) باز شده و مخلوط سوخت و هوا، فضای بالای سيلندر را پر می کند، باز ماندن سوپاپ هوا تا رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین ادامه پیدا می کند، لازم به ذکر است در کورس مکش، سوپاپ دود (سوپاپ خروجی) بسته است. (شکل 4)

شکل 4- زمان مکش در موتورهای احتراق داخلی چهارزمانه

مرحله دوم: کورس تراکم (Compression Stroke)؛ فشرده‌سازی و آمادگی احتراق

در مرحله تراکم (کمپرس)، پیستون از پایین‌ترین نقطه در سیلندر (نقطه مرگ پایین) به طرف بالا حرکت می کند و هر دو سوپاپِ هوا و دود بسته می مانند و در نتيجه مخلوط سوخت و هوا در فضای کوچک شده ی سيلندر، تحت فشار 8 تا 16 اتمسفر قرار می گيرد. اندازه فشار نهائی گاز در انتهای کورس تراکم به عواملی همچون نسبت تراکم، طراحی محفظه احتراق، درجه حرارت موتور، فشار هوا، راندمان حجمی موتور و…. بستگی دارد. (شکل 5)

شکل5- زمان تراکم در موتورهای احتراق داخلی چهارزمانه

در نزدیکی رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا در کورس تراکم، شمع، جرقه زده و مخلوط سوخت و هوا که در اثر تراکم گرم شده، محترق می‌شود. پس از انفجارِ مخلوط سوخت و هوا، فشار در فضای کوچک‌شدة بالای پیستون به علت احتراق گاز در حجم ثابت به‌شدت افزایش می‌یابد (حداکثر تا 40 اتمسفر می‌رسد) و نیروی قابل‌توجهی را به سطح پیستون وارد می‌کند و پیستون را از نقطه مرگ بالا به سمت نقطه مرگ پایین هدایت می‌کند. (شکل 6)

شکل6- زمان انفجار در موتورهای احتراق داخلی چهارزمانه

مرحله چهارم: کورس تخلیه (Exhaust Stroke)؛ خروج دود و آماده‌سازی برای مکش

در کورس تخلیه، پیستون از نقطه مرگ پایین به‌طرف نقطه مرگ بالا حرکت کرده و با باز شدن سوپاپ خروجی، دود و پس‌مانده‌های ناشی از احتراق، سیلندر را ترک می‌کنند. با تخلیه دود، شرایط برای ایجاد یک سیکل جدید، فراهم می‌شود. (شکل 7)

شکل7- زمان تخلیه در موتورهای احتراق داخلی چهارزمانه

در مقالات بعدی به بررسی بیشتر عملکرد، سیکل‌های کاری و اجزاء موتورهای احتراق داخلی پیستونی (چهارزمانه و دو زمانه) و موتور وانکل خواهیم پرداخت.