آپدیت 1402/04/19

انواع موتور احتراق داخلی و خارجی؛ بررسی کامل مزایا و معایب

در مقاله موتورهای احتراقی در مورد ساختار کلی و دسته‌بندی این موتورها مطالبی بیان شد. در این مقاله به معرفی نمونه‌های مختلفی از موتورهای احتراق داخلی و خارجی پرداخته می‌شود. برخی از این نمونه‌ها بسیار متداول هستند که البته در این مقاله نمونه‌های معرفی خواهد شد که شاید بیشتر به‌عنوان ایده و طرح مطرح باشند.

چرا باید با انواع ایده‌ موتورها آشنا شویم؟

ممکن است این سؤال پیش بیاید که چرا باید با ایده‌هایی که امروزه بسیار کم استفاده می‌شوند و یا کلاً منسوخ شده‌اند آشنا شویم. برای پاسخ باید گفت درست است که برخی از ایده‌ها منسوخ شده‌اند؛ اما افرادی با خلاقیت از همین ایده‌های منسوخ تکنولوژی‌های نو استخراج می‌کنند. حتی اگر به این دید هم توجه نشود تاریخ توسعه صنعت همواره یکی از موارد جذاب است که به سختی‌ها و دشواری‌های رسیدن به تکنولوژی موجود آشنا می‌شویم.

حتی اگر به این دید هم توجه نشود، تاریخ توسعه صنعت همواره یکی از موارد جذاب است که در آن با سختی‌ها و دشواری‌های رسیدن به تکنولوژی‌های موجود، از سیکل‌های ساده حرارتی تا موتورهای پیچیده امروزی آشنا می‌شویم.

انواع موتور احتراق داخلی

معروف‌ترین موتورهای احتراق داخلی موتور چهارزمانه، موتور دو زمانه و موتور وانکل هستند.هر کدام از این موتورها بر اساس ترتیب احتراق و نحوه حرکت اجزای متحرک، ویژگی‌های منحصر به فردی دارند.

موتور چهار زمانه

معروف‌ترین مدل موتور احتراق داخلی، موتور چهارزمانه است. بیش از 150 سال است که این مدل موتور به شکل‌های مختلف استفاده می‌شود. در این بخش به معرفی معروف‌ترین مدل‌های موتور چهارزمانه خواهیم پرداخت. شکل 1 اجزا عمومی این موتور از نوع بنزینی را نشان می‌دهد. پیشنهاد می‌کنیم مقاله اختصاصی طرز کار موتور چهار زمانه را مطالعه کنید که در آن به جزئیات قطعات و مراحل توان پرداخته‌ایم.

شکل 1- اجزا عمومی موتور 4 زمانه بنزینی

معروف‌ترین سیکل‌های کاری موتور چهارزمانه سیکل اتو (Otto) که به سیکل تئوری شناخته می‌شود و سیکل کارنو (Carnot) که سیکل عملی یا واقعی شناخته می‌شود می‌توان نام برد. باتوجه‌به اینکه بیشتر موتورهای امروزی از این نوع هستند. در مقاله‌های بعدی در این مورد بیشتر توضیح داده خواهد شد.
یکی دیگر از مدل موتورهای چهارزمانه، موتور با سیکل اتکینسون است. این موتور بهینه شده موتور با سیکل اتو و کارنو است. شکل 2 این نمونه را نشان می‌دهد.

شکل 2- موتور احتراق داخلی چهارزمانه با سیکل اتکینسون – بنزینی

طرح موتور با سیکل اتکینسون در سال 1882 معرفی شد. این طرح نسبت به طرح کارنو بازده بیشتری دارد. شرکت تویوتا اولین‌بار از این طرح در خودرو هیبریدی خود در سال 2011 استفاده کرد که موجب شد مجدداً به این ایده توجه شود. فهرست خودروهایی که از این سیکل استفاده می‌کند را می‌توانید در موتور با سیکل اتکینسون بیابید. باتوجه‌به اهمیت این موتور در ساختار موتور خودروهای هیبریدی در یک مقاله مجزا به تشریح آن پرداخته خواهد شد.

موتورهایی بنزینی سیکل خود را در ساختار فشار ثابت انجام می‌دهند اما اگر موتورهای چهاز زمانه دیزل این سیکل را در فرایند حجم ثابت انجام می‌دهند. شکل 3 موتور چهارزمانه دیزل را نشان می‌دهد.

شکل 3- موتور چهارزمانه دیزل

موتورهای دیزل یکی از معروف‌ترین موتورها در دنیای امروز هستند بسیاری از موتورهای مورداستفاده در صنعت نوع دیزل هستند. تمام خودرو های تجاری از موتور دیزل استفاده می‌کنند. قبل از ورود خودرو های هیبریدی به بازار خودرو های سواری در بسیاری از خودرو ها موتورهای دیزل جایگزین موتورهای بنزینی شده بودند. موتورهای دیزل نیز در مقاله‌ای مجزا بررسی می‌شود.

تمامی موتورهای بالا، پیستون حرکت رفت و برگشتی دارد. موتور وانکل از ایده یک پیستون دوار استفاده کرده است.

شکل 4- موتور چهارزمانه از نوع وانکل – بنزینی

باتوجه‌به فرم این موتورها تعداد بیشتری کورس را می‌توان به‌صورت هم‌زمان داست؛ بنابراین راندمان این موتورها بسیار بالا است. مشکلات این موتور حرارت بالا، استهلاک بالا و نحوه روغن‌کاری آن است. بسیاری از شرکت‌ها خودروساز از این موتور به‌عنوان یک طرح استفاده کردند؛ اما معمولاً استفاده از این موتور با نام شرکت مزدا عجین شده است. در یک مقاله مجزا اجزا و ساختار عملکرد آن معرفی خواهد شد.

موتور دو زمانه

در کنار موتورهای چهارزمانه، نسل دیگری از موتورها نیز وجود دارند که به موتورهای دو زمانه شناخته می‌شوند. موتورهای دو زمانه عموماً در موتورهای با ابعاد کوچک مانند موتور سیکلت‌ها استفاده می‌شوند. شکل 5 نمونه ای از این موتورها را نشان می‌دهد.موتورهای دوزمانه به دلیل ساختار ساده و وزن کم در ادوات خاصی استفاده می‌شوند. تفاوت‌های کلیدی این موتور با نوع چهارزمانه را می‌توانید در مقاله مزایا و معایب موتورهای احتراق داخلی دو زمانه به صورت جدول مقایسه‌ای مشاهده کنید.

شکل 5- موتور دو زمانه

موتورهای دو زمانه اولیه سوپاپ کنترلی برای ورود و خروج به موتور نداشتند؛ بنابراین میزان آلایندگی در این مدل‌ها بسیار بالابود.

انواع موتور احتراق خارجی

در موتور احتراق خارجی، فرآیند سوزاندن سوخت در خارج از سیلندر یا توربین انجام شده و حرارت تولید شده به یک سیال عامل (مانند آب یا هوا) منتقل می‌شود. معروف‌ترین نمونه‌های این موتورها شامل موتور بخار و موتور استرلینگ هستند.

موتور بخار

.شاید بتوان این موتور را قدیمی‌ترین و تاثیرگذارترین نوع موتور احتراق خارجی در تاریخ صنعت دانست. شکل ۶ مکانیزم عملکرد این نمونه را نشان می‌دهد.

شکل 6- نوعی موتور بخار

موتورهای لوکوموتیوهای اولیه از این نوع بودند.همان‌طور که مشاهده می‌شود، موتور بخار بر اساس فشار بخار آب و جهت ورود کنترل‌شده آن به طرفین پیستون کار می‌کند. در این سیستم، سوخت (مانند زغال‌سنگ) در خارج از سیلندر سوخته و حرارت آن آب را به بخار پرفشار تبدیل می‌کند. موتورهای لوکوموتیوهای اولیه و کشتی‌های بخار از این نوع بودند.

نکته کلیدی در اینجا این است که در موتور بخار، محصولات احتراق (دود و شعله) هرگز وارد سیلندر نمی‌شوند و فقط انرژی گرمایی آن‌ها به بخار منتقل می‌شود.برخلاف طرز کار موتور چهار زمانه که انفجار در داخل سیلندر رخ می‌دهد، در اینجا فشار بخارِ تولید شده در دیگ (Boiler) عامل حرکت است.

موتور استرلینگ

یکی دیگر از موتورهای معروف از نوع احتراق خارجی موتور استرلینگ است. شکل 7 نمونه‌ای از این موتور را نشان می‌دهد.

شکل 7 – موتور استرلینگ

موتور استرلینگ از نظر مفهوم شباهت‌هایی به موتور بخار دارد، اما با بازدهی بالاتر و سیکل بسته‌تر عمل می‌کند. در این موتور، سیال عامل (معمولاً هوا یا گازهای خاص) هرگز از سیستم خارج نمی‌شود، بلکه با جابجایی بین محفظه گرم و سرد، منبسط و منقبض شده و پیستون را به حرکت در می‌آورد.

انواع موتور استرلینگ

موتور استرلینگ در طرح‌های مختلفی (مانند نوع آلفا، بتا و گاما) طراحی شده است. اگرچه امروزه بیشتر در طرح‌ها، ماکت‌های آموزشی و پروژه‌های نیروگاهی خاص از این مدل استفاده می‌شود، اما به دلیل صدای بسیار کم و قابلیت کار با هر نوع منبع حرارتی، همچنان مورد توجه مهندسان است. شکل ۸ و ۹ نمونه‌هایی از مکانیزم‌های خلاقانه این موتور را نشان می‌دهد.

شکل 8- موتور استرلینگ دو قلو

شکل 9- موتور استرلینگ دوطرفه

موتور جت

یکی از قدرتمندترین موتورهایی که امروزه نقشی حیاتی در صنعت حمل‌ونقل دارد، موتور جت است. برخلاف موتورهای پیستونی، این موتور از سیکل مداوم احتراق برای ایجاد نیروی رانش (Thrust) استفاده می‌کند. شکل ۱۰ نمونه‌ای از این موتور را نشان می‌دهد.

شکل 10- موتور جت

موتورهای جت امروزه به‌عنوان موتور اصلی وسایل نقلیه هوایی به‌کار برده می‌شوند. در این موتورها، هوا فشرده شده، با سوخت ترکیب می‌گردد و پس از احتراق، با سرعت بسیار بالا از انتهای موتور خارج می‌شود. جالب است بدانید که به دلیل توان خروجی بسیار بالا، گاهی در مسابقات ثبت رکورد سرعت روی زمین نیز از این موتورها روی خودروهای خاص استفاده می‌کنند.موتورهای جت اگرچه از نظر محل احتراق با موتورهای پیستونی متفاوت هستند، اما مکانیزم تولید توان آن‌ها بر اساس خروج پرفشار گازها است.

انواع موتورهای خاص

یکی دیگر از طرح‌ها که مدت‌ها مورداستفاده قرار گرفته بود طرح موتور پیستونی از نوع شعاعی است. نوع سیکل آن می‌تواند دو زمانه یا چهارزمانه باشد. شکل 11 این نمونه را نشان می‌دهد.

شکل 11- موتور از نوع شعاعی

موتورهای رادیال در واقع همان موتور پیستونی است که تعدادی سیلندر در کنار هم قرار گرفته و همه پیستون‌ها به یک میل‌لنگ متصل هستند. حرکت پیستون‌ها میل‌لنگ را به دوران در می‌آورد.

جالب است بداند نمونه خاصی از موتورهای ستاره‌ای با نام موتور دوار وجود داشت که بجای متحرک بودن میل‌لنگ و ثابت‌بودن سیلندرها، میل وسط ثابت و سیلندرها حول محور میل وسط متحرک بودند که نیروی دورانی موتور نیز از گردش این سیلندرها به دست می‌آمد.

شکل 12- موتور دوار

این موتورها در جنگ جهانی اول به‌عنوان موتور هواپیماهای اولیه استفاده می‌شد؛ اما به دلیل سنگینی مجموعه متحرک آن به‌سرعت جای خود را به موتورهای شعاعی داد.

موتور CO2

یکی دیگر از موتورهای خاص موتور CO2 است این موتور نوع موتور است که نه در دسته‌ موتورهای احتراق داخلی و نه در دسته موتورهای احتراق خارجی قرار می‌گیرد در واقع با استفاده از فشار CO2 این موتور کار می‌کند . شکل 13 این نمونه موتور را نشان می‌دهد.

شکل 13- موتور با فشار گاز CO2

بررسی طرح‌ها و مدل‌های مختلف می‌تواند راهی برای ایده‌های نو در طراحی باشد.

نویسنده: مهندس بهروز خطیبی