دانستنی های تکنولوژیصنعتعلوم و تکنولوژی

موتور دیزل چگونه کار می کند

موتور دیزلی

داستان موتور دیزل در واقع با اختراع موتور بنزینی آغاز شده است. نیکولاوس آگوست اتو در سال 1876 موتور بنزینی را اختراع و ثبت کرد. این اختراع که از اصل احتراق چهار زمانه استفاده کرد ، به عنوان ” چرخه اتو ” نیز شناخته می شود و اساس اکثر موتورهای اتومبیل امروزی است. در ابتدا موتور بنزینی خیلی کارآمد نبود و سایر روش های اصلی حمل و نقل مانند موتور بخار نیز ضعیف بودند. در واقع فقط حدود 10 درصد از سوخت مورد استفاده در این نوع موتورها صرف حرکت وسیله نقلیه می گردید. بقیه سوخت ایجاد گرما بی فایده ای می کرد.

در سال 1878 ، رودولف دیزل هنگام تحصیل در دبیرستان پلی تکنیك آلمان (معادل دانشكده مهندسی) از راندمان پایین موتورهای بنزینی و بخار مطلع شد. این اطلاعات نگران کننده الهام بخش او برای ایجاد موتور با راندمان بالاتر شد و بیشتر وقت خود را صرف ساخت ” موتور قدرت احتراقی ” کرد. در سال 1892 دیزل حق ثبت اختراعی را برای آنچه ما اکنون موتور دیزل می نامیم به دست آورد.

علت عدم فراگیر شدن موتور دیزل

حال سوال این است که اگر موتورهای دیزلی بسیار کارآمد هستند ، چرا ما از آنها بیشتر استفاده نمی کنیم؟ ممکن است شما وقتیکه کلمه ” موتور دیزل ” را می بینید به کامیون های بزرگ و سنگین وزن با دود سیاه ، دوده و صدای بلند و آزار دهنده، فکر کنید. این تصویر منفی از کامیون ها و موتورهای دیزلی باعث شده است که موتور دیزل گاها برای رانندگان کمتر جذاب باشد – اگرچه دیزل برای حمل و نقل محموله های بزرگ در مسافت های طولانی بسیار عالی است ، اما بهترین انتخاب برای مسافران روزمره نبوده است. ولی این تصور در حال تغییر است زیرا موتور دیزلی در حال بهبود می باشد تا تمیز تر و کم سر و صداتر شود.

موتورهای دیزلی در مقایسه با موتورهای بنزینی

از نظر تئوری ، موتورهای دیزلی و موتورهای بنزینی کاملاً مشابه هستند. هر دو موتور احتراق داخلی هستند که برای تبدیل انرژی شیمیایی موجود در سوخت به انرژی مکانیکی طراحی شده اند. این انرژی مکانیکی پیستون ها را درون سیلندرها به سمت بالا و پایین حرکت می دهد. پیستون ها به یک میل لنگ متصل شده اند و حرکت بالا و پایین پیستون ها که به عنوان حرکت خطی شناخته می شود ، حرکت دورانی لازم برای چرخاندن چرخ های یک ماشین و در نتیجه حرکت رو به جلو ماشین را باعث می گردند.

هر دو موتور دیزل و موتورهای بنزینی سوخت را از طریق یک سری انفجارهای کوچک یا احتراق به انرژی تبدیل می کنند. تفاوت عمده دیزل و بنزین در نحوه وقوع این انفجارها است. در موتور بنزینی ، سوخت با هوا مخلوط می شود ، توسط پیستون ها فشرده می شود و توسط جرقه های حاصل از شمع مشتعل می شود. اما در موتور دیزل ابتدا هوا فشرده می شود و سپس سوخت تزریق می گردد. از آنجا که هوا هنگام فشرده شدن، گرم می شود ، سوخت مشتعل می گردد.

انیمیشن زیر چرخه موتور دیزل را در حال عملیات نشان می دهد.

موتور دیزل دقیقاً مانند یک موتور بنزینی از یک چرخه احتراق چهار زمانه استفاده می کند.

چهار مرحله موتور دیزل

مرحله مکش – دریچه ورودی باز می شود ، به هوا اجازه ورود داده می شود و پیستون به سمت پایین حرکت می کند.

مرحله فشرده سازی – پیستون به سمت بالا حرکت می کند و هوا را فشرده می نماید.

مرحله احتراق – با رسیدن پیستون به بالا ، سوخت در همان لحظه مناسب تزریق می شود و مشتعل می گردد و پیستون را به عقب می راند.

مرحله تخلیه – پیستون به طرف بالا بر می گردد و دود ایجاد شده از احتراق را از دریچه اگزوز بیرون می برد.

به یاد داشته باشید که موتور دیزل فاقد شمع است ، هوا را وارد کرده و آن را فشرده می کند ، و سپس سوخت را مستقیماً درون محفظه احتراق (تزریق مستقیم) تزریق می کند. این گرمای هوای فشرده شده است که سوخت را در موتور دیزلی مشتعل می نماید. در بخش بعدی روند تزریق دیزل را بررسی خواهیم کرد.

فشرده سازی

رودولف دیزل هنگام کار بر روی محاسبات خود ، این تئوری را مطرح کرد که فشرده سازی بالاتر منجر به راندمان بالاتر و قدرت بیشتر می شود. زیرا وقتی پیستون هوا را در سیلندر فشرده می کند ، هوا غلیظ می شود. سوخت دیزل از انرژی بالایی برخوردار است ، بنابراین احتمال واکنش دیزل با هوای غلیظ بیشتر است. راه دیگر برای فکر کردن در این مورد این است که وقتی مولکول های هوا خیلی نزدیک به هم قرار می گیرند ، سوخت احتمال واکنش بهتری با مولکول های اکسیژن را دارد. نظریه رودولف درست به نظر می رسد – یک موتور بنزینی با نسبت 8: 1 تا 12: 1 فشرده سازی را انجام می دهد ، در حالی که یک موتور دیزلی با نسبت 14: 1 تا 25: 1 فشرده می نماید.

تزریق سوخت دیزل

یک تفاوت بزرگ بین یک موتور دیزل و یک موتور بنزینی در فرآیند تزریق سوخت است. اکثر موتورهای اتومبیل از انژکتور یا کاربراتور استفاده می کنند. سیستم تزریق انژکتوری درست قبل از مرحله مکش (خارج از سیلندر) سوخت را تزریق می کند. کاربراتور مدت زیادی قبل از ورود هوا به سیلندر ، هوا و سوخت را با هم مخلوط می کند. بنابراین در یک موتور خودرو تمام سوخت در سیلندر بارگیری شده و سپس فشرده می شود. فشرده سازی مخلوط سوخت / هوا ، نسبت فشرده سازی موتور را محدود می کند – اگر هوا را بیش از حد فشرده کنند ، مخلوط سوخت / هوا به طور خودبخود مشتعل می شود و باعث ضربه می گردد. از آنجا که باعث گرمای بیش از حد می شود ، ضربه زدن می تواند به موتور آسیب برساند.

موتورهای دیزل از تزریق مستقیم سوخت استفاده می کنند – سوخت دیزل مستقیماً درون سیلندر تزریق می شود.

تزریق مستقیم دیزل

انژکتور روی موتور دیزل پیچیده ترین مؤلفه آن است و مورد آزمایشات زیادی قرار گرفته است – در هر موتور خاصی این قطعه ممکن است در مکان های مختلفی قرار داشته باشد. انژکتور باید بتواند دما و فشار داخل سیلندر را تحمل کند و همچنان سوخت را بصورت ذرات ریز تحویل دهد. چرخش ذرات ریز در سیلندر به گونه ای که به طور مساوی توزیع شود نیز یک مشکل است ، بنابراین برخی از موتورهای دیزل از شیرهای القایی ویژه ، محفظه های پیش از احتراق یا سایر وسایل استفاده می کنند تا هوا را در محفظه احتراق بچرخانند یا روند اشتعال و احتراق را بهبود بخشند.

شمع گرمکن

برخی از موتورهای دیزلی دارای یک شمع گرمکن هستند. هنگامی که موتور دیزل سرد است ، ممکن است فرآیند فشرده سازی، دمای هوا را به اندازه کافی بالا نبرد تا باعث احتراق سوخت شود. شمع گرمکن یک سیم گرم شده برقی است (سیم های داغی که در یک توستر وجود دارد را به یاد آورید) که محفظه های احتراق را گرم می کند و هنگام سرد شدن هوا دمای هوا را بالا می برد تا موتور بتواند شروع به کار کند. طبق گفته های Cley Brotherton ، یک تکنسین ماهر تجهیزات سنگین :

کلیه عملکردها در یک موتور مدرن توسط ارتباط ECM با حسگرهای اندازه گیری کنترل می شوند. این حسگرها همه چیز را اندازه می گیرند از دور موتور تا دمای خنک کننده و روغن موتور و حتی موقعیت موتور (یعنی T.D.C.).  شمع گرمکن امروزه به ندرت در موتورهای بزرگتر مورد استفاده قرار می گیرد. ECM دمای هوای محیط را حس می کند و زمانبندی موتور را در هوای سرد بطوری تنظیم می کند که انژکتور سوخت را دیرتر اسپری کند. هوای موجود در سیلندر بیشتر فشرده می شود و گرمای بیشتری را ایجاد می کند که به شروع کار موتور کمک می کند.

موتورهای کوچکتر و موتورهایی که چنین سیستم کنترل پیشرفته رایانه ای را ندارند از شمع گرمکن برای حل مشکل شروع کار در سرما استفاده می کنند.

البته تفاوتهای مکانیکی تنها تفاوت موتورهای دیزل و موتورهای بنزینی نیستند. مسئله سوخت نیز وجود دارد.

سوخت دیزل

سوخت نفتی از نفت خام که به طور طبیعی در زمین یافت می شود شروع می شود. هنگامی که نفت خام در پالایشگاه ها فرآوری می شود ، می توان آن را به چندین نوع سوخت مختلف از جمله انواع مختلف بنزین ، سوخت جت ، نفت سفید و البته دیزل تفکیک کرد.

اگر تاکنون سوخت دیزل و بنزین را با هم مقایسه کرده باشید ، می دانید که آنها متفاوت هستند. مطمئناً بوی متفاوت دارند. سوخت دیزل سنگین تر و روغنی تر است. بسیار کندتر از بنزین تبخیر می شود – نقطه جوش آن در واقع بالاتر از نقطه جوش آب است. اغلب از سوخت دیزل به عنوان ” روغن دیزل ” یاد می شود زیرا بسیار روغنی است.

مشخصات دیزل

سوخت دیزل کندتر تبخیر می شود زیرا سنگین تر است. این ماده حاوی اتم های کربن بیشتری در زنجیره های طولانی تری از بنزین است (بنزین معمولاً C9H20 است ، در حالی که سوخت دیزل معمولاً C14H30 است). برای ایجاد سوخت دیزل پالایش کمتری لازم است ، به همین دلیل از بنزین ارزان قیمت تر می باشد. با این حال از سال 2004  ، تقاضا برای دیزل به دلایل مختلف از جمله افزایش صنعتی شدن و ساخت و ساز در چین و ایالات متحده افزایش یافته است.

سوخت دیزل چگالی انرژی بالاتری نسبت به بنزین دارد. به طور متوسط ، 1 گالن (3.8 لیتر) از سوخت دیزل حاوی تقریبا 155*106 ژول (147،000  BTU ) است ، در حالی که 1 گالن بنزین حاوی 132*106 ژول (125000  BTU  ) است. این موضوع ، همراه با بازدهی بهبود یافته موتورهای دیزل ، توضیح می دهد که چرا موتورهای دیزلی مسافت پیموده شده بهتری نسبت به موتورهای بنزینی معادل دارند.

موارد استفاده دیزل

از سوخت دیزل برای تأمین انرژی وسایل نقلیه و عملیات متنوع استفاده می شود. کامیون های دیزلی که در حال حرکت در بزرگراه هستند ، از این سوخت بهره می برند ، اما قایق ها ، اتوبوس های مدرسه ، اتوبوس های شهری ، قطارها ، جرثقیل ها ، تجهیزات کشاورزی و انواع وسایل نقلیه واکنش سریع و ژنراتور نیز با استفاده از دیزل کار می کنند. به این فکر کنید که دیزل چقدر برای اقتصاد مهم است – بدون راندمان بالا ، هم صنعت ساخت و ساز و هم مشاغل کشاورزی به شدت از سرمایه گذاری در سوخت هایی با قدرت و کارایی پایین رنج خواهند برد. حدود 94 درصد از حمل و نقل – ازجمله کامیون ها ، قطارها یا قایق ها – به دیزل متکی هستند.

از نظر محیط ، دیزل دارای برخی جوانب مثبت و منفی است. از دیدگاه مثبت، دیزل مقادیر بسیار کمی از مونوکسید کربن ، هیدروکربن ها و دی اکسید کربن را که منجر به گرم شدن کره زمین می شود منتشر می کند. از دیدگاه منفی – مقادیر زیادی از ترکیبات نیتروژن و ذرات (دوده) از سوختن دیزل رها می شوند ، که منجر به باران اسیدی ، دود و شرایط بهداشتی نامناسب می شود. در زیر به پیشرفتهای اخیر در این مناطق خواهیم پرداخت.

بهبود دیزل و بیو دیزل

در جریان بحران بزرگ نفتی در دهه 1970 ، شرکت های اتومبیل سازی اروپایی تبلیغات موتورهای دیزلی را برای استفاده تجاری به عنوان جایگزینی برای بنزین آغاز کردند. کسانی که آن را امتحان کردند کمی نا امید شدند – موتورها بسیار پر سر و صدا بودند و وقتی به خانه بر می گشتند ماشین خود را پوشیده از دوده سیاه پیدا می کردند – همان دوده ای که باعث آلودگی شهرهای بزرگ نیز می شود.

در طی 30 تا 40 سال گذشته ، پیشرفتهای گسترده ای در عملکرد موتور و پاکی سوخت انجام شده است. دستگاههای تزریق مستقیم اکنون توسط رایانه های پیشرفته ای کنترل می شوند که احتراق سوخت ، راندمان و تولید گازهای گلخانه ای را کنترل می کنند. سوخت های دیزلی با تصفیه بهتر مانند دیزل های با گوگرد فوق العاده کم  (ULSD) میزان تولید گازهای مضر را کاهش می دهند و موتورهای به روز شده را برای سازگاری آنها با سوخت های تمیز به یک فرایند ساده تبدیل می کنند. فن آوری های دیگر مانند فیلترهای ذرات CRT و مبدل های کاتالیزوری دوده را می سوزانند و ذرات ، مونوکسید کربن و هیدروکربن ها را تا 90 درصد کاهش می دهند. بهبود مداوم استانداردهای سوخت پاک از اتحادیه اروپا ، صنایع اتومبیل را نیز تحت فشار قرار می دهد تا در کاهش تولید گازهای گلخانه ای سخت تر عمل کنند – در سپتامبر 2009 ، اتحادیه اروپا قصد داشت که میزان انتشار ذرات را از 25 میلیگرم بر کیلومتر به 5 میلیگرم بر کیلومتر کاهش دهد .

بیو دیزل

شاید شما نیز از چیزی به نام بیو دیزل شنیده باشید. آیا همان دیزل است؟ بیودیزل یک جایگزین یا افزودنی برای سوخت دیزل است که می تواند در موتورهای دیزلی با کمی تغییرات در خود موتورها مورد استفاده قرار گیرد. این ماده از نفت ساخته نمی شود – در عوض از روغن های گیاهی یا چربی های حیوانی حاصل شده است که از نظر شیمیایی تغییر یافته اند. (واقعیت جالب: در ابتدا رودولف دیزل روغن دانه گیاهی را به عنوان سوخت برای اختراع خود در نظر گرفته بود) بیو دیزل را می توان با دیزل معمولی ترکیب کرد یا به طور کامل از خود آن استفاده کرد.

منبع:

https://auto.howstuffworks.com

برچسب ها
نمایش بیشتر

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا
بستن