دسته بندی موتورها: 2. انواع سیکل موتورهای هواتنفسی | هوافضای جوان

دسته بندی موتورها: ۲. انواع سیکل موتورهای هواتنفسی

همه ما می‌دونیم که وظیفه موتور در هر وسیله نقلیه، تأمین انرژی مورد نیاز برای حرکت اون وسیله است. موتور سوخت رو می‌سوزونه و به این کار انرژی مورد نیاز وسیله رو فراهم می‌کنه؛ اما تنها چیزی که سوختن سوخت در اختیار ما قرار میده، گرماست. باید برای اینکه این گرما به حرکت تبدیل بشه فکری کرد. پس مهمه که سوخت رو چطور می‌سوزونیم و چطور انرژیش رو تبدیل به حرکت می‌کنیم. بشر در طول سال‌ها طرح‌های مختلفی برای  رسیدن به این هدف ارائه داده و ایده‌های متفاوتی رو بررسی کرده. یکی از معروف‌ترین و البته ابتدایی‌ترین این ایده‌ها، ایده ماشین بخار بود. همه شما در مورد ماشین بخار شنیدید. در زیر یکی از موفق‌ترین این ماشین‌ها رو می‌بینید، این ماشین که در سال ۱۷۸۱ توسط جیمز وات طراحی شد تلاش می‌کرد از فشار زیاد بخار آب چرخ وسیله نقلیه (معمولاً قطار) رو بچرخونه. این فشار زیاد بخار آب، به خاطر انبساط ناشی از گرمای سوختن سوخت بود. پر و خالی شدن متواتر محفظه‌ای (به نام سیلندر) از این بخار پر فشار، در میله رابط محفظه و چرخ، حرکتی رفت و برگشتی ایجاد می‌کرد و این حرکت رفت و برگشتی، موجب چرخیدن چرخ‌ها می‌شد. تصویر متحرک زیر به خوبی اساس کار این موتور رو به نمایش می‌ذاره. (ناحیه قرمز رنگ، بخار پرفشاریه که به تازگی از دیگ بخار به محفظه وارد شده و ناحیه آبی رنگ بخار مصرف شده است که باید از محفظه خارج بشه)

steam_engine

شکل زیر یک قطار با موتوربخار رو نشون میده. لکوموتیو این قطارها همیشه باید حجم زیادی آب به همراه می‌بردند و به همین دلیل در بیشتر قطارها یک مخزن استوانه‌ای آب جلوی لکوموتیو بود و یا آب توسط واگن‌ها حمل می‌شد. در ضمن جالبه که به بخار خروجی از این لکوموتیو هم دقت کنید. (لوله آبی رنگ شکل بالا، همین بخار خروجی رو نمایش میده)

ایده موتور بخار در زمان خودش بسیار موفق بود و تا سال‌ها تقریباً همه‌ی قطارها و خیلی از اتومبیل‌های ابتدایی از موتور بخار استفاده می‌کردند. اما با توجه به اینکه بشر هیچ وقت با یک ایده راضی نمی‌شه و همیشه به دنبال ساختن چیزهای جدید و بهتره، موتورهای جدید دیگری هم ساخته شدند. موتورهایی که به هیچ وجه از روشی مشابه موتور بخار استفاده نمی‌کردند. موتور اتو (Otto) یکی از این موتورها بود.

این نوع موتور توسط فردی به اسم نیکولاس اتو اختراع شد و به همین خاطر به اسم موتور اتو شناخته می‌شه. شاید اسم “موتور اتو” براتون جدید باشه. اما واقعیت اینه که این موتور از هر نوع موتور دیگه‌ای به زندگی روزمره ما نزدیک‌تره، چرا که موتورهای اکثر خودروهای امروزی از نوع موتور اتو هستند. تفاوت اصلی موتور اتو با موتور بخار جیمز وات در این است که در موتور بخار، سوختن سوخت بیرون از محفظه انجام می‌شد و گاز ورودی به محفظه رو گرم می‌کرد. اما در موتور اتو، احتراق در داخل خود محفظه صورت می‌گیره. برای همین به جای بخار آب، سوخت و هوا وارد محفظه می‌شوند و همونجا احتراق انجام می‌شه. تصویر متحرک زیر مراحل کاری یک موتور اتو رو نمایش میده.

این مراحل رو با شماره گذاری نشون داده شده در تصویر بالا میشه به صورت زیر توضیح داد:

  1. ورود هوا به داخل سیلندر: این مرحله با باز شدن دریچه هوا(سوپاپ هوا) و پایین رفتن پیستون (جسم دارای حرکت رفت و برگشتی میانه سیلندر) انجام می‌شه. پایین رفتن پیستون شرایط کم فشاری ایجاد می‌کنه و باعث می‌شه که هوا به داخل سیلندر کشیده بشه. در موتورهای اتو، سوخت(که معمولاً بنزین است) پیش از ورود هوا به سیلندر به داخل هوا پاشیده شده و در واقع این محلول سوخت در هواست که به داخل سیلندر میاد.
  2. تراکم: بعد از اینکه پیستون به پایین‌ترین قسمت سیلندر رسید، حالا وقت برگشتن به بالا فرا می‌رسه. برگشتن پیستون به بالای سیلندر در حالی که همه دریچه‌های سیلندر بسته هستند، منجر به متراکم شدن محلول سوخت و هوای داخل سیلندر میشه. متراکم شدن این محلول به بهتر سوختن سوخت کمک می‌کنه. هرچی میزان این تراکم بیشتر باشه راندمان موتور هم بالاتر میره. در لحظه پایانی مرحله دوم که محلول به متراکم‌ترین وضعیت خودش می‌رسه، جرقه‌ی قطعه‌ای به نام “شمع” باعث احتراق (سوختن) محلول سوخت و هوا میشه.
  3. انجام کار: هر آتشی گرما آزاد می‌کنه. احتراق داخل سیلندر هم از این قاعده مستثنی نیست. گرمای زیادی که از احتراق، در لحظه پایانی مرحله دوم ایجاد شده، باعث می‌شه گازهای حاصل از احتراق به شدت انبساط (افزایش حجم) پیدا کنند. این افزایش حجم نیروی کافی برای هل دادن پیستون به سمت پایین سیلندر رو فراهم می‌کنه. این مرحله از فرآیند، هدف اصلی کار موتور بوده، یعنی تبدیل انرژی سوخت به حرکت. حرکت رفت و برگشتی پیستون به وسیله دو قطعه به نام‌های شاتون و میل لنگ، از حالت “حرکت خطی رفت و برگشتی” به “حرکت ممتد چرخشی” تبدیل میشه یعنی همون حرکتی که در ماشین، چرخ‌ها و در هواپیما، ملخ رو می‌چرخونه.
  4. خروج دود: بعد از اینکه احتراق انجام شد و پیستون از این احتراق برای ادامه حرکت خودش انرژی گرفت، باید گازهای حاصل از احتراق از سیلندر تخلیه بشن تا جا برای ورود مجدد هوا و سوخت و احتراق مجدد باز بشه. چون فشار گازهای درون سیلندر از فشار محیط بیشتره، بلافاصله بعد از باز شدن دریچه خروج، گازها به بیرون تخلیه میشن و بالا اومدن پیستون هم به این تخلیه کمک می‌کنه.

همونطور که دیدید کارکرد موتور اتو به صورت انجام مکرر و پشت سر هم مراحل چهارگانه بالاست. اصطلاحا به مراحل کاری تکرار شونده “سیکل” گفته می‌شه. به این معنا که وقتی یک موتور چهار مرحله بالا رو کامل طی کنه (که معمولاً در حدود یک ثانیه طول می‌کشه)، گفته می‌شه که یک سیکل رو طی کرده. این چیدمان مراحل هم به نام آقای اتو معروفه. اصطلاحا به این چیدمان سیکل اتو گفته میشه.

جالبه بدونید تصویر بالا یک نمونه خاص از موتورهای با سیکل اتو رو نمایش میده. موتورهای دیگری با ساختارهای دیگری هم هستند که هرچند ظاهر عملکردشون مثل موتور بالا نیست، اما از سیکل اتو استفاده می‌کنند. به طور مثال می‌شه به “موتورهای دو زمانه” سیکل اتو اشاره کرد. موتوری که در بالا باهاش آشنا شدیم به نام “موتور چهار زمانه” معروفه و هر سیکلش شامل دوبار بالا و پایین رفتن پیستون میشه. اما موتورهای دوزمانه به صورت خلاقانه‌ای این مراحل رو در تنها یک بار بالا و پایین رفتن پیستون خلاصه کرده‌اند. ببینید می‌تونید در شکل متحرک زیر مراحل چهارگانه‌ای که معرفی کردیم رو متوجه بشید؟

ایده‌های جالب به همین جا ختم نمی‌شه. یک ساختار بسیار خلاقانه دیگه که از سیکل اتو برای تولید توان استفاده می‌کنه “موتور ونکل” (به نام مخترعش، “فلیکس هنریش ونکل”) هست. در موتور ونکل با طراحی خلاقانه‌ای که صورت گرفته، حرکت رفت و برگشتی پیستون از بین رفته و احتراق مستقیماً حرکت دورانی ایجاد می‌کنه. شکل زیر علاوه بر اینکه نحوه کار این موتور رو نمایش میده، نشون میده که مراحل چهارگانه بالا هرکدوم در یک ناحیه خاص از سیلندر رخ میده.

شکل زیر هم یک نمونه باز شده‌ی واقعی از این نوع موتور رو نشون میده. در این تصویر می‌تونید قسمت دوار داخل موتور که در gif بالا به رنگ فیروزه‌ای هست رو تشخیص بدید.

731px-drehkolbenmotordkm54

موتورهای ونکل موتورهای بسیار پیشرفته‌ای هستند که به نسبت یک موتور پیستونی چهار زمانه هم وزن خودشون، میتونند ۳ تا ۶ برابر توان بیشتری تولید کنند. در کشور ما هم به همت متخصصان هوافضای سپاه، چهار نمونه موتور ونکل به نام‌های شاهد ۷۸۳ و ۷۸۸ و صراط ۱ و ۲ تولید شده. در شکل زیر موتور صراط ۲ در نمایشگاه هوایی بین المللی کیش رو می‌بینید.

1991403_541

در این متن با سیکل اتو آشنا شدید. در قسمت بعد از درسنامه پیشرانش، به معرفی باقی سیکل‌های موتورهای هواتنفسی که کاربرد هوافضایی هم دارند می‌پردازیم.

 


پاسخ دهید

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

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.