تاریخچه پیدایش موتورهای بنزینی و دیزلی
پیش از اختراع پیشرانه دیزلی، مهندس آلمانی نیکولاس آگوست اُتو در سال ۱۸۷۶ میلادی پیشرانه درونسوز بنزینی را ابداع کرد. این پیشرانه چهارزمانه بر اساس چرخهای طراحی شده بود که امروزه نیز اساس عملکرد بیشتر پیشرانههای درونسوز به شمار میرود. نمونههای اولیه این پیشرانهها، شبیه موتورهای بخار، بازدهی پایینی داشتند؛ تنها حدود ۱۰ درصد از انرژی سوخت صرف حرکت خودرو میشد و باقی انرژی بهصورت گرمای هدررفته از بین میرفت.
در سال ۱۸۷۸، رودولف دیزل، مهندس و مخترع آلمانی، وارد یکی از مدارس پلیتکنیک آلمان شد که مشابه دانشکدههای مهندسی امروزی بود. در همان دوران، او با بازده بسیار پایین موتورهای بخار و پیشرانههای بنزینی آشنا شد؛ موضوعی که او را به فکر طراحی پیشرانهای با بازده بالاتر انداخت. او پس از سالها تحقیق، سرانجام در سال ۱۸۹۲ موفق به ساخت پیشرانهای احتراقی شد که در آن بهجای بنزین از گازوئیل استفاده میشد. این پیشرانه بازده و قدرت بیشتری نسبت به نمونههای بنزینی داشت، اما به دلیل نوع سوخت مصرفی، آلودگی بیشتری تولید میکرد و بهواسطه فشار کاری بالا، صدای بلندتری نیز داشت.
همین ویژگیها باعث شد پیشرانه دیزلی در ابتدا بیشتر برای خودروهای سنگین، کشتیها و اتوبوسهای شهری به کار گرفته شود. اما امروزه با پیشرفت فناوری، بسیاری از این مشکلات برطرف شده و اکنون پیشرانههای دیزلی حتی در برخی از لوکسترین خودروهای جهان، مانند محصولات مرسدس بنز، نیز استفاده میشوند.
نحوه عملکرد موتور بنزینی و دیزلی
موتورهای بنزینی و دیزلی از نظر اصول کلی عملکرد شباهت زیادی به هم دارند. هر دو نوع، پیشرانههای درونسوز هستند که انرژی شیمیایی سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل میکنند. انرژی حاصل از احتراق، پیستونها را در مسیری خطی درون سیلندرها جابهجا میکند. انتهای پیستونها به میللنگ متصل است و حرکت رفتوبرگشتی آنها به حرکت چرخشی میللنگ تبدیل میشود. در نهایت، این حرکت چرخشی از طریق سایر اجزای انتقال قدرت به چرخهای خودرو میرسد.
در هر دو نوع پیشرانه، انرژی شیمیایی سوخت از طریق انفجارهای کوچک و کنترلشده در محفظه سیلندر آزاد میشود؛ اما تفاوت اصلی این دو موتور در نحوه ایجاد احتراق است. در موتور بنزینی، سوخت و هوا در محفظه سیلندر با هم مخلوط و توسط پیستون متراکم میشوند و در بالاترین نقطه حرکت پیستون، شمع جرقهای ایجاد کرده و احتراق را آغاز میکند. اما در موتور دیزلی، ابتدا فقط هوا متراکم میشود و سپس سوخت به داخل محفظه سیلندر تزریق میشود؛ به دلیل دمای بالای هوای فشرده، مخلوط سوخت و هوا بهطور خودکار مشتعل میشود.
نسبت تراکم در موتورهای بنزینی معمولاً حدود ۹ به ۱ است، در حالی که این نسبت در موتورهای دیزلی میتواند تا ۲۰ به ۱ نیز برسد. این عدد نشاندهنده نسبت حجم محفظه احتراق در بزرگترین به کوچکترین گنجایش سیلندر است. تراکم بالاتر در موتور دیزلی باعث افزایش فشار و دمای هوا میشود، تا جایی که برای اشتعال خودکار گازوئیل کافی باشد. تفاوت دیگر این دو نوع پیشرانه، در میزان هوای ورودی به سیلندر است؛ در موتور بنزینی، حجم هوای ورودی بسته به وضعیت دریچه گاز متغیر است، اما در موتور دیزلی این حجم همواره ثابت است و تنها با یک دریچه کنترلکننده تنظیم میشود.
تفاوت اجزای پیشرانه بنزینی و دیزلی
بیشتر اجزای موتور دیزلی مشابه موتور بنزینی هستند و عملکردی نزدیک به هم دارند. اما به دلیل شرایط کاری متفاوت و فشار بسیار بالاتر در موتور دیزلی، اجزای آن باید مقاومتر ساخته شوند. برای نمونه، دیوارههای بلوک سیلندر در موتور دیزلی ضخیمتر از نوع بنزینی است و برای تقویت بیشتر، از شبکههای تقویتی داخلی نیز استفاده میشود. این ضخامت بیشتر، ضمن افزایش وزن پیشرانه، باعث کاهش سروصدای خروجی موتور نیز میشود، زیرا دیوارههای ضخیم مانع خروج بخش زیادی از صدای احتراق میشوند. میللنگ، میلبادامک، یاتاقانها و دیگر اجزای موتور دیزلی نیز نسبت به نمونه بنزینی برای تحمل شرایط کاری سختتر طراحی شدهاند.
سیستمهای تزریق سوخت در موتور دیزلی
در هر پیشرانه درونسوز، برای عملکرد روان و مطلوب، سوخت و هوا باید بهخوبی با یکدیگر مخلوط شوند. از آنجا که این دو در زمانهای مختلف وارد سیلندر میشوند، مخلوطسازی مناسب چالشبرانگیز است. برای حل این مشکل، مهندسان دو روش تزریق مستقیم و غیرمستقیم سوخت را طراحی کردهاند.
سیستم تزریق غیرمستقیم سوخت
در این روش، چون گازوئیل پس از تراکم هوا وارد سیلندر میشود، باید جریان آن بهگونهای آشفته شود تا اختلاط بهتری با هوا داشته باشد. سادهترین راه برای این کار، استفاده از یک محفظه کوچک و گرد به نام محفظه پیشاحتراق است. سوخت ابتدا وارد این محفظه میشود و شکل آن باعث افزایش آشفتگی و اختلاط بهتر سوخت و هوا میشود. با این حال، وجود این محفظه اضافی درون سیلندر میتواند روند احتراق را کمی پیچیده کرده و بر بازده کلی موتور اثر منفی بگذارد.
سیستم تزریق مستقیم سوخت
در سیستم تزریق مستقیم، گازوئیل بدون واسطه بهطور مستقیم به داخل محفظه سیلندر تزریق میشود. در این روش، برای تضمین اختلاط مناسب سوخت و هوا، طراحی تاج پیستون اهمیت زیادی پیدا میکند و باید بهگونهای باشد که آشفتگی لازم برای پخش یکنواخت سوخت را ایجاد کند.
کنترل سرعت و روشن و خاموش کردن خودرو
در موتورهای دیزلی، میزان هوای ورودی به محفظه احتراق همیشه ثابت است. به همین دلیل، پدال گاز مستقیماً به واحد کنترل جریان سوخت متصل است و با فشار بیشتر یا کمتر روی پدال، میزان سوخت تزریقی تنظیم میشود. در موتورهای بنزینی، برای خاموشکردن خودرو با چرخاندن سوئیچ، جریان الکتریکی شمعها قطع میشود. اما در موتور دیزلی که شمعی وجود ندارد، خاموششدن با قطع جریان سوخت انجام میشود؛ سوئیچ در این حالت به یک شیر سلونوییدی متصل است که با چرخش آن، مسیر سوخت بسته میشود.
روشنکردن موتور دیزلی در هوای سرد
برای روشنکردن موتور دیزلی، ابتدا موتور استارت هوای داخل سیلندر را متراکم میکند تا با ورود سوخت، احتراق رخ دهد. در هوای بسیار سرد، دمای هوا آنقدر پایین است که تراکم بهتنهایی نمیتواند دمای لازم برای اشتعال خودکار گازوئیل را ایجاد کند. برای رفع این مشکل، از المنتهای گرمکننده الکتریکی درون سیلندر استفاده میشود. این روش امروزه رو به منسوخشدن است و نسل جدید موتورهای دیزلی از واحدهای کنترل هوشمند بهره میبرند که با دریافت داده از حسگرهای مختلف، زمان تزریق سوخت را در لحظه استارت به تأخیر میاندازند تا هوا کمی بیشتر متراکم شده و به دمای مناسب برای اشتعال برسد.
در فصلهای سرد سال، به دلیل غلظت بالای گازوئیل و توانایی جذب رطوبت آن، احتمال یخزدن سوخت در خطوط سوخترسانی خودرو افزایش مییابد؛ به همین دلیل گاهی دیده میشود که برخی افراد بخشهایی از خودروی خود را با حرارت گرم میکنند. برای پیشگیری از این مشکل، مکملهایی به گازوئیل افزوده میشود که دمای انجماد آن را تا منفی ۱۲ الی ۱۵ درجه سانتیگراد کاهش میدهد.
تفاوت سوخت گازوئیل و بنزین
سوخت مصرفی در خودروهای دیزلی تفاوتهای زیادی با بنزین دارد. هرچند هر دو از نفت خام تولید میشوند، گازوئیل خواص فیزیکی متفاوتی دارد و سوختی سنگینتر، روغنیتر و کمفرارتر از بنزین است. تعداد اتمهای کربن در گازوئیل بیشتر از بنزین است و معمولاً با فرمول شیمیایی C14H30 شناخته میشود. فرایند پالایش گازوئیل نیز سادهتر و کمهزینهتر از بنزین است، به همین دلیل قیمت آن معمولاً پایینتر است. از سوی دیگر، هر لیتر گازوئیل انرژی بیشتری نسبت به بنزین تولید میکند؛ به همین دلیل خودروهای دیزلی با ظرفیت باک یکسان، معمولاً برد حرکتی بیشتری دارند. به همین دلایل، بخش بزرگی از حملونقل عمومی و باربری در جهان به گازوئیل وابسته است.
در کنار مزایای فراوان گازوئیل، این سوخت فسیلی مانند سایر سوختها معضلات زیستمحیطی نیز به همراه دارد. گازوئیل نسبت به بنزین مونوکسیدکربن و دیاکسیدکربن کمتری تولید میکند، اما احتراق آن مقادیر بیشتری ترکیبات نیتروژن و دوده وارد جو میکند که میتواند زمینهساز باران اسیدی، مهآلودگی هوا و بیماریهای تنفسی باشد. با این حال، با پیشرفت فناوریهای تزریق سوخت و استفاده از فیلترها و کاتالیزورهای پیشرفته، میزان آلایندگی خودروهای دیزلی مدرن تا حدود ۹۰ درصد کاهش یافته است. همچنین با بهبود روشهای پالایش نفت، کیفیت گازوئیل امروزی بهمراتب بالاتر رفته و عناصر آلاینده خطرناک تا حد زیادی از آن حذف شدهاند. در کنار این پیشرفتها، تلاشهای زیادی نیز برای جایگزینی گازوئیل با سوختهای زیستی و گیاهی، که پاکتر از نوع فسیلی هستند، در حال انجام است.
مطالب مشابه