نحوه کار احتراق موتور دیزل

احتراق دیزل و یا بهتر است اینگون بگوییم که موتور دیزل یک موتور خود احتراقی است.هوای مورد نیاز برای احتراق در اتاقک احتراق تا حد بسیار زیادی متراکم می شود.در این فرآیند دمای بالایی به وجود می آید ،که در آن سوخت دیزل پاشیده شده خود به خود محترق می گردد.موتور دیزل دستگاه مولد نیروی احتراقی با بالاترین درجه بازدهی کلی (در موتورهای بزرگ و دور پایین بیش از 50%است).مصرف سوخت پایین،گاز خروجی دارای مواد مضر کم  و به عنوان مثال سرو صدای کمتر از طریق پیش پاشش که با آن در ارتباط هستند بر اهمیت موتور دیزل می افزایند.

سیکل کاری

در موتور دیزل چهار زمانه ،سوپاپ ها جریان هوا را هدایت می کنند.آن ها کانال های ورود و خروج هوا را به سیلندرها باز و بسته می کنند .

کورس(زمان )اول :مکش 

در زمان کورس مکش پیستون به سمت پایین حرکت می کند.هوا بدون مانع از طریق سوپاپ ورودی به داخل اتاقک احتراق موتور جریان می یابد.

کورس دوم:کورس تراکم 

در کورس تراکم،هوای محصوراتاقک احتراق بر طبق نسبت تراکم در نظر گرفته شده و به واسطه حرکت رو به بالای پیستون فشرده می شودو در این فرآیند دمایش تا حدود 900درجه سانتی گراد افزایش می یابد .درنزدیکی انتهای فرآیند تراکم دستگاه انژکتور سوخت را تحت فشار بالا تا 2050بار به داخل هوای داغ می پاشد.

کورس سوم:کورس کار 

پس از سپری شدن زمان تاخیر احتراق سوخت دیزل به خوبی که پودر شده و آماده احتراق است خود به خود در ابتدای این کورس محترق می شود. به این طریق محتوی سیلندر باز هم گرمتر شده و فشار آن نیز با هم بیشتر می شود.بخش بزرگی از انرژی آزاد شده از احتراق تبدیل به انرژی حرکتی پیستون می شود.میل شاتون این انرژی را تبدیل به گشتاور چرخشی در میل لنگ می کند.

کورس چهارم:تخلیه 

در طول کورس تخلیه ،پیستون به بالا حرکت می کند.پیستون ،محتوی سیلندر را که احتراق آن به پایان رسیده را از طریق سوپاپ خروجی بیرون می فرستد.سپس برای سیکل کاری بعدی دوباره هوای تازه به داخل اتاق احتراق جریان می یابد.

اتاق های احتراق و پرشدن و تراکم آن ها

در موتور های دیزل،شیوه های اتاق های احتراق یکپارچه و یا تقسیم شده به کار می روند(موتورهای دارای اتاقک پیش احتراق/موتورهای تزریق مستقیم)  موتورهای تزریق مستقیم درصد بازدهی بالاتری دارند و نسبت به موتورهای با اتاقک پیش احتراق صرفه اقتصادی بهتری نیز دارند.به همین خاطر در همه خودروهای نیمه سنگین واغلب سواریهای جدید از این شیوه استفاده می شود.سرو صدای شدید تر احتراق موتورهای تزریق مستقیم نیز می تواند با یک پیش پاشش (به مقدار کم)تا سطح سرو صدای پایین موتورهای دارای اتاقک پیش احتراق و جریان گردابی پایین بیاید.سهم موتورهای IDIبه خاطر مصرف بالای سوخت در آنها دائما کاهش می یابد.

علاوه برپیش پاشش (جهت کاهش سرو صدا و نیز کاهش مقدار اکسیدهای نیتروژن no(پس پاشش نیز جهت کاهش دوده با موفقیت آزمایش شده است.موتور دیزل به ویژه برای پرشدن و تراکم مناسب است.زیرا فقط هوا را متراکم می کند.تراکم بیشتر نه تنها توان به دست آمده را افزایش داده و به این ترتیب بازدهی را بالا می برد.بلکه علاوه بر آن مواد مضر گازهای خروجی و سر و صدای ناشی از احتراق را هم کاهش می دهد.

گاز خروجی موتور دیزل

محصولات احتراق وابسته به طراحی موتور ،توان موتور،دور موتور و بارکاری موتور است.نسبت مواد مضر در گاز به عنوان مثال در حالت نیمه بار 0.1%جرمی است.طراحی فرآیند احتراق (شکل اتاقک احتراق،جریان حرکت هوا،هوای اضافی ،دمای هوا از طریق سرد کردن هوای موتور،تراکم هوا،باز خوراندن هوای خروجی به موتور)و کاربرد سیستم های پاشش سوخت به شکل اساسی بر تشکیل مواد مضر موثر است.علاوه بر محصولات کامل احتراق یعنی آب H2Oو دی اکسید کربنCO2مواد مضر ذیل که از نظر قانونی مقدار آن ها محدود شده است نیز از اگزوز خارج می شوند:

-مونوکسیدکربن

-هیدروکربنهای نسوخته

-اکسیدهای نیتروژن

-ذرات معلق

-دی اکسید گوگرد

دی اکسید گوگرد و سولفات به واسطه گوگرد حل شده در سوخت ایجاد می شود.اجزای مواد مضر قابل رویت (به ویژه در حالت کارکردن سرد موتور )هیدروکربن های نسوخته یا نیمه سوخته به شکل قطره ای (دود آبی یا سفید)،دود سیاه و مواد آرماتیک با رایحه تند و آلدهیدها هستند.

رفتار پاشش

رفتار پاشش برای یک موتور اهمیت زیادی دارد.به همین دلیل خواسته های زیر از یک سامانه انژکتوری وجود دارند:

-پاشش باید از نظر زمانی دقیق انجام شود.حتی در صورت تغییرات کوچک مصزف سوخت ،انتشار مواد آلاینده و سرو صدای احتراق به شدت افزایش می یابند.

-فشار تزریق باید بتواند برای تمامی شرایط کار موتور (مانند بارکاری موتوری،دور موتور)حتی الامکان به صورت مستقل تطبیق داده شود.

-تزریق باید به شکل مطمئن به پایان برسد.پس پاشش خارج از کنترل منجر به افزایش انتشار آلاینده ها می شود.

اضافه بر این ها ،مطابق کاربرد موتور ،عملکردهای ذیل نیز از تزریق مورد توقع هستند.

-پیش پاشش جهت کاهش سرو صدای احتراق و انتشار

-جریان فشار افزاینده در طول مدت تزریق اصلی جهت کاهش انتشار nox

-جریان فشار چکمه ای شکل در طول مدت تزریق اصلی جهت کاهش انتشار noxو دوده

-فشار بالای ثابت در طول زمان پاشش اصلی جهت کاهش انتشار دوده در حالت باز خوراندن گاز خروجی

-پس پاشش بعدی به عنوان وسیله کاهنده برای کاتالیزاتور nox

روش پاشش سنتی

در سیستم های پاشش سنتی ،فشار در طول مدت تزریق دائما توسط یک پیستون پمپ ایجاد می شود.در و که به وسیله شکاف روی پیستون هدایت می شوند تزریق فقط به صورت (تزریق اصلی)بدون پیش و پس پاشش انجام می پذیرد.در پمپ های انژکتور آسیابی با کنترل شیر برقی پیشرفت هایی وجود دارند که در آینده انجام پیش پاشش را ممکن خواهند کرد.در سیستم های یونیت انژکتور برای سواری یک پیش پاشش با کنترل مکانیکی-هیدرولیکی عملی شده است.

در سیستمهای سنتی ،ایجاد فشار و مهیا کردن میزان تزریق بادامک و پیستون بالا برنده به هم مرتبط و متصل هستند.این موضوع نتایج زیر را در رفتار پاشش به دنبال دارد:

فشار تزریق با افزایش دور موتور افزایش می یابد.مقدار سوخت تزریق شده هم به همچنین

-در شروع تزریق ،فشار تزریق افزایش می یابد ،ولی پیش از پایان تزریق دوباره تا فشار بسته شدن سوزن انژکتور افت می کند.

از این بابت عواقب زیر را خواهیم داشت:

-در فشارهای کمتر ،مقدار سوخت پاشش شده کمتر هستند

-مسیر پاشش تقریبا به شکل مثلثی است.

همانطور که برای کمک احتراق مناسب بدون باز خوراندن گاز خروجی مورد توقع است.

پیش پاشش

از طریق پیش پاشش (نام دیگر آن تزریق پیلوت است) دستیابی به افزایش آهسته فشار احتراق ممکن می شود.بخش پایانی احتراق به آن صورت تحت تاثیر قرار می گیرد که سروصدای ناشی از احتراق،مصرف سوخت و بسته به روش احتراق همچنین انتشار اکسیدهای نیتروژن و هیدروکربن ها کاهش می یابد.

در حالت جریان فشار بدون پیش پاشش فشار در محدوده پیش از نقطه مرگ بالا بر حسب تراکم به صورت بسیار کم شیب افزایش می یابد،ولی با شروع احتراق باشیب بسیار زیاد و این شیب زیاد فشار از عوامل عمده ایجاد سر و صدا و ضربه در موتور دیزل است. شاید بسیاری از افراد ندانند که موتور دیزل چگونه کار می‌کند؟ بنابراین در ادامه می‌خواهیم درباره نحوه کار کردن موتور دیزل، نسبت سوخت به هوا در موتور دیزل و چرخه احتراق در یک موتور دیزل صحبت کنیم، اما قبل از آن بهتر است تا سه عنصر اصلی در موتورهای دیزل را بشناسیم:

خروس شاتل

این قسمت در انتهای میل‌لنگ قرار دارد و از طریق اتصالات ویژه کلاچ‌ها و گیربکس‌ها امکان حرکت چرخشی پروانه را فراهم می‌کند. این قسمت یک دیسک فلزی است که برای ذخیره انرژی جنبشی و انتقال یکنواخت آن برای ایجاد یک حرکت صاف به کار می‌رود.

انژکتورها

انژکتورها سیستم‌هایی هستند که تزریق کردن سوخت به سیلندر را هماهنگ می‌کنند. لوله‌های انژکتور که سوخت را حمل می‌کنند باید طول یکسانی داشته باشند، زیرا یکسان نبودن طول آن‌ها باعث ایجاد ناهماهنگی در تزریق سوخت می‌شود به همین دلیل است لوله‌هایی که به انژکتورهای نزدیک به پمپ متصل هستند، بیشتر اوقات روی خود پیچیده می‌شوند.

پمپ تزریق

بخش پمپ تزریق، در واقع قلب موتور دیزل شناخته می‌شود. این قسمت وظیفه دارد تا سوخت دیزل را با بالا بردن فشار سوخت به انژکتورها برساند تا بتواند وارد محفظه احتراق شوند. پمپ تزریق با هماهنگی خاصی به میل‌لنگ متصل است. به‌طورکلی در یک موتور دیزل، سوخت از طریق نازل‌های انژکتور به داخل محفظه‌های احتراق وارد می‌شود. نحوه کارکرد موتور دیزل به ترتیب به شرح زیر است:

کلید را در جرقه بچرخانید

ابتدا کلید را در جرقه می‌چرخانید و سپس منتظر می‌مانید تا موتور بتواند گرمای موردنیاز را در سیلندرها ایجاد کند. چرخاندن کلید باعث آغاز شدن فرایندی می‌شود که در آن سوخت به سیلندرها وارد می‌شود و در نتیجه سیلندرها گرم می‌شوند. سوخت موتور دیزل نسبت به بنزین فراریت کمتری دارد و گرم شدن محفظه احتراق آسان‌تر است؛ بنابراین سازندگان، شمع‌های کوچکی را نصب می‌کنند که این شمع‌ها با باتری کار می‌کنند تا هوای سیلندر را از قبل گرم کنند‌.

چراغ شروع روشن می‌شود

هنگامی‌که چراغ روشن می‌شود، روی پدال گاز فشار دهید و کلید استارت را روی گزینه شروع بچرخانید.

پمپ‌های سوخت، سوخت را از مخزن سوخت به موتور می‌رسانند

به‌طورکلی، سوخت از چند فیلتر سوخت عبور می‌کند. این باعث می‌شود تا قبل از اینکه سوخت به نازل‌های انژکتور برسد کاملاً تمیز شود. نگهداری صحیح از فیلترها مخصوصاً در گازوئیل‌ها اهمیت زیادی دارد زیرا آلودگی‌هایی که در سوخت وجود دارد می‌تواند سوراخ‌های انژکتور را مسدود کند. پیش‌تر در تهران یکتا به اشاره کردیم.

نسبت سوخت به هوا در موتور دیزل

به‌طورکلی موتورهای دیزل از سوخت و اکسیژن برای تولید انرژی استفاده می‌کنند. برای به وجود آمدن و تضمین فرایند احتراق، لازم است تا مقدار معینی از سوخت و هوا در محفظه احتراق وجود داشته باشد زیرا احتراق کامل زمانی به وجود می‌آید که تمام سوخت به‌طور کامل سوخته شود و در گازهای خروجی هیچ مقدار سوخت سوخته نشده‌ای باقی نمانده باشد؛ بنابراین نسبت سوخت به هوا در موتورهای دیزل به عنوان نسبت هوا و سوخت مخلوط شده برای احتراق تعریف می‌شود. نسبت سوخت به هوای ایده‌آل، برای احتراق کامل موتورهای دیزل به طور میانگین ۱۴.۷:۱ است. سیستم سوخت‌رسانی باید به طور دقیق مقدار سوخت و هوای ورودی به موتور را اندازه‌گیری کند زیرا مخلوط هوا با سوختی که به‌اندازه کافی وجود ندارد باعث می‌شود تا کامل نسوزد در نتیجه باعث تولید بیش‌ازحد آلاینده شود.

آیا موتور دیزل شمع دارد؟

سوالی که در ادامه می‌خواهیم پاسخ دهیم این است که آیا موتور دیزل شمع دارد؟ در جواب این سوال باید گفت موتورهای دیزلی نیاز به شمع ندارند؛ بنابراین در موتورهای دیزلی از شمع‌های جرقه‌زنی و تراکمی استفاده می‌شود که محفظه احتراق را گرم می‌کنند تا درصورتی‌که موتور سرد باشد، دیزل بتواند به احتراق کمک کند. در واقع در موتورهای دیزلی شمع هیچ استفاده‌ای در سوخت دیزل ندارد زیرا نیازی به روشن کردن سوخت دیزل ندارد در عوض شمع جرقه‌زنی فقط می‌تواند محفظه احتراق را گرم نگه دارد. موتورهای دیزل همه آلاینده‌ها را دارند، اما سوخت آن‌ها غنی‌تر و تمیزتر می‌سوزد این کار به سوزاندن مواد جامد در گازهای خروجی از اگزوز نیز کمک می‌کند.

سخن پایانی

نکته‌ای که درباره موتورهای دیزلی وجود دارد این است که قدرت آن‌ها از موتورهای بنزینی بسیار بیشتر است به همین دلیل در صنایع مختلفی از این نوع موتورها استفاده می‌شود، به‌طوری‌که بیشتر خودروهارودولف دیزل سال ۱۸۵۸ در پاریس متولد شد و پدر و مادرش مهاجران باواریا بودند. رودولف دیزل در دانشگاه پلی‌تکنیک مونیخ تحصیلات خود را آغاز کرد. بعد از فارغ التحصیلی، او به عنوان مهندس یخچال شروع به کار کرد اما او بسیار علاقه‌مند به طراحی موتور بود. رودولف دیزل طرح‌های بسیاری در موتور های حرارتی داشت. در سال ۱۸۹۳، او در مقاله ای به توصیف یک موتور با احتراق درون سیلندر (موتور احتراق داخلی) پرداخت.

در سال ۱۸۹۴، او اختراع جدید خود را موتور دیزل نام‌گذاری کرد و بعدا بر اثر انفجار موتور دیزلی کشته شد. با این حال، ثابت شد که موتور دیزل سوخت را بدون نیاز به جرقه قابل اشتعال می‌کند. در سال ۱۹۸۷ بود که اولین موتور دیزل او توانست با موفقیت کار کند. موتورهای دیزلی مدرن، نسخه بهبود یافته‌ی مفهوم اصلی رودولف دیزل است. موتورهای دیزلی اغلب در زیردریایی ها، کشتی ها، لوکوموتیو و کامیون های بزرگ و مولدهای برقی مانند دیزل ژنراتور استفاده می‌شوند.