موتورهای احتراقی؛ تفاوت موتورهای درون‌سوز و برون‌سوز

موتور احتراقی وسیله‌ای است که انرژی شیمیایی سوخت را با احتراق به انرژی حرارتی و سپس کار مکانیکی تبدیل می‌کند و بر اساس محل احتراق به دو دسته تقسیم می‌شود: در موتور درون‌سوز یا احتراق داخلی، سوخت داخل محفظه احتراق موتور می‌سوزد، مانند موتورهای بنزینی و دیزلی؛ اما در موتور برون‌سوز یا احتراق خارجی، سوخت بیرون از موتور سوزانده می‌شود و حرارت آن به یک سیال عامل منتقل می‌شود، مانند موتور بخار و موتور استرلینگ. در این مقاله، اساس کار موتورهای احتراقی، تعریف هر دو نوع و تفاوت موتور درون‌سوز و برون‌سوز را از نظر وزن، راندمان، هزینه و سرعت راه‌اندازی بررسی می‌کنیم.

موتور احتراقی چیست و چگونه کار می‌کند؟

اساساً موتور وسیله‌ای است که انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل می‌کند و موتور احتراقی، مجموعه‌ای است که انرژی شیمیایی سوخت را با استفاده از احتراق به انرژی حرارتی تبدیل می‌کند تا بتواند کار مکانیکی ایجاد کند. (شکل 1)

شکل 1 – تبدیل انرژی در موتورهای احتراقی

دسته‌بندی موتورهای احتراقی بر اساس محل احتراق

در حالت کلی، موتورهای احتراقی باتوجه‌به محلی که احتراق در آن صورت می‌گیرد به دو دسته کلی موتورهای احتراق داخلی و موتورهای احتراق خارجی تقسیم‌بندی می‌شوند. (شکل2 )

شکل 2- تقسیم‌بندی کلی موتور های احتراقی

 موتور برون‌سوز یا احتراق خارجی چیست؟

موتور احتراق خارجی یا برون‌سوز (ECE یا EC) با نام لاتینEngine External Combustion نمونه‌ای از موتور است که در آن سیالِ عامل داخلی، توسط انرژی حاصل از احتراق یک سیال دیگر، گرم شده و انرژی حاصل از احتراق به سیال عامل داخلی منتقل می‌شود و طی یک چرخه ترمودینامیکی، کار مکانیکی، توسط سیال عامل داخلی انجام می‌گردد، مانند موتور بخار. (شکل3 )

1-سوخت 2- دیگ بخار 3- سیال (بخار) 4- دریچه کشویی 5- دودکش
6- سیلندر 7- بخار (عامل حرکت پیستون) 8- پیستون 9- چرخ 10- مکانیزم اهرم‌بندی تبدیل‌کننده حرکت خطی به حرکت دورانی
شکل 3– شماتیک عملکرد موتور بخار

به عبارت ساده در موتورهای احتراق خارجی، انرژی شیمیایی سوخت در خارج از موتور به انرژی حرارتی تبدیل شده و انرژی حرارتی جهت تولید نیروی مکانیکی به موتور انتقال داده می‌شود.

موتور درون‌سوز یا احتراق داخلی چیست؟

موتور احتراق داخلی یا موتور درون‌سوز ICE) یا (IC با نام لاتین Internal Combustion Engineاست و به موتورهایی گفته می شود که سوخت در داخل محفظه موتور سوزانده می شود و عمل تبديل انرژی بطور کامل درون محفظه احتراق رخ می دهد.
اولین تجربه کارآمد و قابل‌ذکر در زمینه ساخت موتورهای احتراق داخلی در سال 1876 میلادی اتفاق افتاد. در این سال یک مخترع آلمانی به نام نیکلاوس اتو برای اولین بار موفق شد که یک موتور احتراق داخلی چهارزمانه را به ثبت برساند، در مکانیزم این موتور درون سوز از دستگاه بخار جیمز وات الهام گرفته شده بود.
پیشرانه طراحی شده توسط اتو، قادر بود چهار مرحله مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را به صورت مداوم انجام دهد. (شکل4 )

1-مرحله مکش 2- مرحله تراکم 3- مرحله انفجار 4- مرحله تخلیه
شکل 4- مراحل کاری موتور احتراق داخلی (چهارزمانه)

در ابتدای اختراع موتورهای احتراق داخلی، این نمونه از موتورها، هنوز مناسب خودروها نبودند، زیرا با افزایش میزان سوخت، فرم احتراق به انفجار تغییر می‌کرد و خیلی سریع موتور دچار سوختگی می‌شد، اما به‌تدریج این مشکل مرتفع شد.
در سال‌های بعد و تاکنون، مدل‌های مختلف و انواع پیشرفته‌تری از موتورهای احتراق داخلی ساخته شده که ساختمان اصلی آنها با نمونة اولیه، مشابهت‌های زیادی دارند. اگر می‌خواهید ساختار و تعمیر موتورهای درون‌سوز خودرو را به‌صورت عملی یاد بگیرید، دوره تعمیر موتور خودرو ایرانی ایمگ در کارگاه مکانیک خودرو دانشگاه شریف برگزار می‌شود.

تفاوت موتور درون‌سوز و برون‌سوز

برخی از تفاوت بین موتور احتراق داخلی و موتور احتراق خارجی به شرح زیر است:

• در موتور احتراق داخلی، سوخت، درون سیلندر محترق می‌شود، درحالی‌که در موتور احتراق خارجی، احتراق سوخت در خارج از سیلندر کار انجام می‌شود.
• موتور احتراق خارجی برای انتقال انرژی، به دیگ بخار و سایر اجزا نیاز دارد که باعث سنگین شدن آن می‌گردد، اما موتور احتراق داخلی به دیگ بخار و … احتیاج ندارد، بنابراین موتورهای احتراق داخلی نسبت به احتراق خارجی، سبک‌تر هستند و به فضای کمتری احتیاج دارند.
• شروع به کار موتور احتراق داخلی نسبت به احتراق خارجی، آسان‌تر و سریع‌تر است.
• موتور احتراق داخلی دارای راندمان حدود ۳۵-۴۵٪ است و موتور احتراق خارجی حدود ۱۵-۲۵٪ راندمان دارد.
• هزینه سرمایه موتور احتراق داخلی نسبت به موتور احتراق خارجی کمتر است.
• توان تولید شده در موتور احتراق داخلی در واحد وزن در مقایسه با توان تولید شده در موتور احتراق خارجی بیشتر است.
• هزینه سوخت موتور‌ احتراقی داخلی نسبت به احتراق خارجی بیشتر است.

نمونه‌هایی از موتورهای احتراقی

همانطور که در مقاله انواع موتورهای احتراق داخلی و خارجی اشاره شده، موتورهای احتراقی انواع مختلفی دارند که در شکل شماره 5، نمونه‌هایی از انواع موتورهای احتراق داخلی و احتراق خارجی نمایش‌داده‌شده است.

شکل 5- نوعی طبقه‌بندی چند نمونه از انواع موتور‌ احتراقی

در طول تاریخ صنعت خودروسازی، فناوری‌های مختلفی در پیشرانه خودروها استفاده شده است، اما یکی از سیستم‌های ماندگار و پرکاربرد در این صنعت، موتورهای احتراق داخلی یا درون‌سوز هستند. (شکل 6)

شکل 6 – نمونه‌ای از موتور‌ احتراقی داخلی مورداستفاده در خودرو

در مقالات بعدی به بررسی عملکرد و اجزاء موتورهای احتراق داخلیِ پیستونی دو زمانه و چهار زمانه و موتور وانکل خواهیم پرداخت.موتورهای درون‌سوز بر اساس چرخه قدرت به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند. اگر به دنبال جزئیات فنی هستید، راهنمای موتورهای چهارزمانه پیستونی و بررسی موتورهای احتراق داخلی دوزمانه را از دست ندهید.

سوالات متداول

تفاوت موتور درون سوز و برون سوز چیست؟

تفاوت اصلی در محل احتراق است؛ در موتور درون‌سوز سوخت داخل سیلندر می‌سوزد، اما در موتور برون‌سوز احتراق خارج از سیلندر، در کوره یا دیگ بخار، انجام می‌شود. به همین دلیل موتور درون‌سوز سبک‌تر است، فضای کمتری می‌گیرد، سریع‌تر راه‌اندازی می‌شود و راندمان بالاتری دارد.

 موتور برون سوز چیست؟

موتور برون‌سوز یا احتراق خارجی موتوری است که در آن انرژی حاصل از احتراق سوخت در خارج از موتور، به یک سیال عامل مانند بخار منتقل می‌شود و این سیال طی یک چرخه ترمودینامیکی کار مکانیکی انجام می‌دهد. موتور بخار، توربین بخار و موتور استرلینگ نمونه‌هایی از موتورهای برون‌سوز هستند.

موتور درون سوز چیست؟

موتور درون‌سوز یا احتراق داخلی موتوری است که سوخت در داخل محفظه احتراق آن سوزانده می‌شود و تبدیل انرژی به‌طور کامل درون همین محفظه رخ می‌دهد. موتورهای بنزینی و دیزلی خودروها رایج‌ترین نمونه موتورهای درون‌سوز هستند.

راندمان موتور احتراق داخلی و خارجی چقدر است؟

راندمان موتور احتراق داخلی حدود ۳۵ تا ۴۵ درصد و راندمان موتور احتراق خارجی حدود ۱۵ تا ۲۵ درصد است.

اولین موتور احتراق داخلی چه زمانی ساخته شد؟

اولین تجربه کارآمد در ساخت موتور احتراق داخلی در سال ۱۸۷۶ میلادی رخ داد؛ زمانی که نیکلاوس اتو، مخترع آلمانی، یک موتور احتراق داخلی چهارزمانه را به ثبت رساند که چهار مرحله مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را به‌صورت مداوم انجام می‌داد.

چرا در خودروها از موتور درون سوز استفاده می‌شود؟

موتور درون‌سوز به دیگ بخار و تجهیزات جانبی نیاز ندارد، بنابراین سبک‌تر و کم‌حجم‌تر است، سریع‌تر روشن می‌شود، در واحد وزن توان بیشتری تولید می‌کند و هزینه ساخت آن کمتر است.