در درس گذشته مبحث فرآیند تبدیل انرژی سوخت به حرکت در موتورهای هواتنفسی هوایی رو آغاز کردیم و در مورد سیکل اتو و نحوه کار موتورهای با سیکل اتو اطلاعاتی کسب کردیم. در این درس میخوایم با موتور جدیدی به نام موتور دیزل آشنا بشیم که فرآیند تبدیل انرژی این موتور با نام سیکل دیزل شناخته می‌شه.
احتمالاً اسم موتور دیزل رو پیش از این شنیده باشید، خیلی از کامیون‌ها، اتوبوس‌ها و بقیه‌ی ماشین‌هایی که به توان خیلی بالا نیاز دارند، به جای استفاده از موتور اتو، از موتور دیزل استفاده می‌کنند. موتورهای دیزل به جای بنزین، از سوخت‌های دیگری که با نام “سوخت سنگین” شناخته می‌شوند استفاده می‌کنند. یکی از سوخت‌های سنگین گازوئیله و می‌دونیم که اکثر خودروهای با موتور دیزل از گازوئیل به عنوان سوخت استفاده می‌کنند.
اسم سوخت‌های سنگین از اینجا نشأت می‌گیره که این سوخت‌ها از هیدروکربن‌های با مولکول‌های سنگین تشکیل شده‌اند. همه‌ی سوخت‌های فسیلی، از گاز شهری گرفته تا بنزین و گازوئیل و نفت سفید و ذغال سنگ و…. از مولکول‌های هیدروکرین تشکیل شده‌اند. گاز شهری به عنوان سبک‌ترین سوخت فسیلی فقط یک کربن در هر مولکول داره، بنزین ۸ اتم کربن در هر مولکول و سوخت‌های سنگین هم بیش از ده اتم کربن در هر مولکول دارند. هرچه تعداد اتم موجود در هر مولکول هیدروکربن بیشتر باشه، اون هیدروکرین سنگینتره. دلیل اینکه خودروهای با توان بالا مثل کامیون‌ها از گازوئیل استفاده می‌کنند اینه که سوخت‌های سنگین انرژی بیشتری به نسبت سوخت‌های سبک در خودشون ذخیره کردند و به این صورت یک باک پر از گازوئیل، انرژی بیشتری از یک باک پر از بنزین به خودرو میده. موتورهایی که از سوخت سنگین مثل گازوئیل استففاده می‌کنند، علاوه بر تولید توان بالا، آلایندگی کمتری به نسبت موتورهای بنزینی دارند (البته اگه بهشون به درستی رسیدگی بشه و ضمناً از گازوئیل با کیفیت استفاده کنند، نه مثل کامیون و اتوبوس‌های قدیمی جاده‌های ما!!!) به دلیل همین دو مزیت (توان بالا و پاک بودن) استفاده از موتورهای با سوخت سنگین فقط به کامیون و اتوبوس و تراکتور و… محدود نمونده و این موتورها رو حتی در خودروهای لوکس شخصی هم می‌شه پیدا کرد. در شکل زیر خودروی مرسدس بنز E220، مجهز به موتور گازوئیلی رو می‌بینید.
خب تا اینجای کار سوخت‌های سنگین دو هیچ از بنزین جلوتر هستند. اما عجله نکنید، متاسفانه موتورهای سیکل اتو نمی‌تونند از گازوئیل استفاده کنند. چرا که هنوز همه حقیقت رو درباره سوخت‌های سنگین نگفتیم. سوخت‌های سنگین مشکلی دارند که برای رفعش موتورهای دیزل طراحی و ساخته شده‌اند. اون هم اینه که هرچه یک سوخت سنگین‌تر باشه، شعله ور کردن اون هم سخت‌تره (یعنی با یک کبریت تو دمای اتاق نمی‌تونید گازوئیل رو آتش بزنید!) و علاوه بر این سرعت سوزششون هم کمتره. (گازوئیل هیچوقت مثل بنزین منفجر نمی‌شه، بلکه آرام آرام می‌سوزه، شبیه به ذغال)
این خصوصیت از جهتی مزیت سوخت‌های سنگین حساب می‌شه، چرا که اونا رو تبدیل به سوخت‌هایی امن می‌کنه، اما از سوی دیگه، به خاطر این خصوصیت سوخت‌های سنگین، نمی‌شه اون‌ها رو با موتورهای معمول سیکل اتو سوزاند. فردی به اسم رودولف دیزل، برای سوزاندن این سوخت‌ها روشی متفاوت از نیکولاس اتو در پیش گرفت. مراحل کاری موتور دیزل به صورت زیر است:
- مرحله ورود هوا: این مرحله مشابه موتور اتو است، با این تفاوت که سوخت در این مرحله به داخل هوا پاشیده نمی‌شود.
- مرحله تراکم: این مرحله هم مشابه سیکل اتو است، اما با یک تفاوت مهم. در موتورهای دیزل میزان متراکم شدن هوای داخل سیلندر در این مرحله بسیار بیشتره. در موتورهای اتو هوای سیلندر تا ۱۰ الی ۱۲ برابر متراکم می‌شوند، اما در موتورهای دیزل این نسبت تراکم حدود ۱۸ الی ۱۹ است. یعنی نزدیک به دو برابر سیکل اتو. این تراکم شدید باعث افزایش شدید دمای هوای درون سیلندر می‌شه و دمای اون رو تا بیش از ۲۰۰ درجه سانتی گراد بالا می‌بره این دما اونقدری بالا هست که توش سوخت سنگینی مثل گازوئیل هم به سادگی شروع به سوختن می‌کنه.
- مرحله انجام کار: بر خلاف موتور اتو که در اون احتراق در یک لحظه و بین مرحله ۲ و ۳ انجام می‌شه، در سیکل دیزل به خاطر وقت گیر بودن سوختن سوخت‌های سنگین، احتراق در کل مدت مرحله ۳ انجام می‌شه؛ به این صورت که با پایان مرحله ۲، سوخت به آرامی مستقیماً به داخل سیلندر پمپ می‌شه و همینطور که می‌سوزه سیلندر رو به سمت پایین هل میده.
- مرحله خروج دود: این مرحله در موتور دیزل کاملاً مشابه موتور اتو است.
مهم‌ترین تفاوت سیکل دیزل با سیکل اتو، در همین نوع احتراقه که در مرحله سوم مطرح شد. با توجه به اینکه در موتور اتو احتراق در یک لحظه انجام می‌شد، حجم گاز سیلندر در طول زمان احتراق ثابت بود و فرآیند احتراق یک فرآیند “حجم ثابت” بود، اما در موتور دیزل فرآیند احتراق هم زمان با پایین رفتن پیستون در سیلندره که یعنی فرآیند احتراق در این موتور فرآیندی “فشار ثابت” است و حجم گاز داخل سیلنر در طول احتراق تغییر می‌کنه. این تفاوت روی مقدار راندمان تبدیل انرژی به حرکت در موتورهای دیزل اثر منفی داره. شکل زیر نمودارهای “فشار به نسبت حجم” برای دو سیکل دیزل و اتو رو در کنار هم نمایش میده، تفاوت نوع فرآیند احتراق در این تصویر مشخصه.
حالا که با سیکل دیزل آشنا شدیم و تفاوتش با سیکل اتو رو متوجه شدیم خوبه بدونیم که استفاده از موتورهایی که از سوخت های دیزل استفاده می‌کنند در هواپیماها هم در حال گسترشه و برای شروع، خیلی از هواپیماهای بدون سرنشین که پیش از این از موتورهای بنزینی استفاده می‌کردند، در نسخه‌های جدید از موتورهای سوخت سنگین استفاده می‌کنند. یک نمونه از این پهپادها، پهپاد هرمس(شکل زیر)، ساخته‌ی رژیم صهیونیستی هست که از سال ۲۰۰۹ میلادی شروع به استفاده از سوخت سنگین و موتور متناسب با این سوخت کرد.
خب. با دوتا از سیکل‌های تبدیل انرژی سوخت به حرکت در وسایل موتوری آشنا شدیم. یک سیکل مهم دیگه، یعنی سیکل برایتون باقی مونده. سیکل برایتون سیکل مورد استفاده در موتور هواپیماهای جته و تفاوت زیادی با دو سیکل قبلی داره. با این سیکل در درس آینده آشنا می‌شیم.
