موتور:
موتورها دستگاههایی هستند که انرژی را برای بکار انداختن وسایل نقلیه، دستگاههای دیگر یا تولید الکتریسیته، به کار مکانیکی تبدیل میکنند.
انواع اصلی موتورها عبارتند از:موتور بخار، بنزینی، دیزل، الکتریکی، جت و موشک. در هر یک از این موتورها انرژی از سوختهایی چون زغال سنگ، بنزین و گازوئیل بدست میآید. همه موتورها، موتورهای درون سوز هستند. به این معنا که سوخت درون موتور میسوزد. موتور بخار، تنها موتور برون سوز است.
نخستین موتورهای بخار:
در قرن هجدهم میلادی، بیشتر نیروی صنایع مربوط به انقلاب صنعتی، از موتورهای بخار بدست میآمد. در سال ۱۷۱۲، یک انگلیسی بنام تامس نیو کامن، نخستین موتور بخار کار آمد را برای تلمبه زدن آب به بیرون از معادن زغال سنگ را اختراع کرد. در سال ۱۷۶۵، یک مهندس اسکاتلندی بنام جیمز وات، موتور بخار نیوکامن را کاملتر کرد و دستگاهی با کارایی بیشتر ساخت. چیزی نگذشت که موتورهای بخار را برای فراهم آوردن نیروی ماشین آلات کارخانهها بکار گرفتند. پس از آن نیز برای لوکوموتیوها، از جمله لوکوموتیو راکت، استفاده کردند. این لوکوموتیو را جورج استیونسون، مهندس انگلیسی، در سال ۱۸۲۹ میلادی ساخت.
موتور از دیدگاه علم برق
در دنیای برق موتور وسیلهای است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل میکند. با توجه به نوع انرژی الکتریکی مورد استفاده در موتور، موتورها به دستههای:
1- موتورهای AC یا جریان متناوب
2- موتورهای DC یا جریان مستقیم
تقسیم بندی میشوند که البته هر کدام از این دو نوع، خود به دستههای جزیی تری تقسیم بندی میشوند. تمام موتورهای الکتریکی از ۲ قسمت کلی استاتور و روتور تشکیل شدهاند.
موتورهای درونسوز:
موتورهای درونسوز یا موتورهای احتراق داخلی به موتورهایی گفته میشود که در آنها مخلوط سوخت و اکسید کننده (معمولاً هوا یا اکسیژن) در داخل محفظهٔ بستهای واکنش داده و محترق میشوند. بر اثر احتراق گازهای داغ با دما و فشار بالا حاصل میشوند و بر اثر انبساط این گازها قطعات متحرک موتور به حرکت درآمده و کار انجام میدهند. هرچند غالباً منظور از به کار بردن اصطلاح موتورهای درونسوز، موتورهای معمول در خودروها میباشند، با این حال موتورهای موشک و انواع موتورهای جت نیز مشمول تعریف موتورهای درونسوز میشوند.
موتور درونسوز، یک وسیلهٔ گردنده است که در خودروها، هواگردها، قایق موتوری، موتورسیکلتها و صنایع کاربرد دارد. بدون بهرهگیری از موتورهای درونسوز، اختراع و ساخت هواپیماها ممکن نبود. تا پیش از پرواز نخستین هواپیمای جت در سال ۱۹۳۹، نیروی محرکه تمام هواپیماها در واقع توسط موتورهای درونسوز تأمین میشد.
نخستین موتور درونسوز چهارزمانه توسط نیکلاس اوگوست اوتو[1] و مخترع آلمانی ویلیام وگنر در سال ۱۸۷۶ ساخته شد.
نیکلاس اوگوست اوتو
انواع موتورهای درونسوز:
این موتورها را به دو دسته کلی موتور چهارزمانه و موتورهای دو زمانه میتوان تقسیم کرد. اصول کاری این موتورها مشابه است. لیکن نحوه عمل آنها به علت تفاوتهای ساختاری اندکی متفاوت است. البته ازنوع امروزی تر باید به چهار زمانه اشاره کرد که حتی تاثیر کمتری بر روی الودگی هوا دارد.
موتور چهارزمانه:
این موتورها برای هر انفجار (مرحلهٔ تبدیل انرژی سوخت به انرژی مکانیکی) بایستی چهار مرحلهٔ مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را انجام دهند.
موتورهای دوزمانه:
این موتورها در هر دور چرخش دارای یک انفجار هستند. این کار با ترکیب کردن مراحل انفجار و دم و بازدم به عنوان یک مرحله و ترکیب تخلیه و تراکم بهعنوان مرحلهٔ بعدی صورت میگیرد. راندمان موتورهای دو زمانه به مراتب از موتورهای چهارزمانه بیشتر است.
موتور دیزل گونهای موتور درونسوز است که در آن از چرخه دیزل برای ایجاد حرکت استفاده میشود. فرق اصلی آن با موتور اتو ایجاد احتراق در اثر تراکم است. یعنی انفجار بر اثر تراکم سوخت و هوا بدون نیاز به جرقه زنی میباشد(سیستم احتراق داخلی دیزل(.
موتور درون سوزی که 2 فرایند اصلی دارد.
موتور درون سوزی با چهار فرایند اصلی 1-مکش سوخت 2- تراکم 3-احتراق و 4- خروج دود است.
موتور درون سوزی بر اساس موتور چهار زمانه با افزایش فرآیند و کارکرد نسبت به آن و با ۶ عمل در چرخه فرایند می باشد.
به موتورهایی که پیستون ندارند و بجای آن روتور دارند که بصورت دورانی حرکت می کند اطلاق می شود. مانند موتور وانکل و موتور شبه توربین. این نوع موتور ها در پهپاد هایی استفاده میشود که در منطقه ای وسیع به شعاع km 300 تا km 500 مورد نیاز باشد استفاده می شود.
موتور شبه توربین خیلی شبیه موتور دورانی است، یک روتور درون بدنه ی تقریباً بیضی شکل می چرخد. موتور شبه توربین روتور چهار جزیی دارد. گوشه های روتور با بدنه به خوبی آب بندی شده اند و نیز گوشه های روتور نسبت به بخش داخلی آب بندی اند. در نتیجه چهار محفظه ی مجزا تشکیل می شود.
موتور دورانی که مخترع آن دکتر فلیکس وانکل بود، گاهی موتور وانکل یا موتور دورانی وانکل نامیده می شود. اجزائ اصلی آن روتور، محفظه روتور، محور خروجی، شمع جرقه زنی، قطعات آبندی می باشد. در موتور وانکل مانند موتور های بنزینی چهار زمانه مخلوط هوا و بنزین وارد محفظه ی بزرگی از موتور می شود سپس با کوچک شدن حجم آن مخلوط هوا و بنزین تحت فشار قرار گرفته و با ایجاد جرقه به وسیله شمع انفجار حاصل می شود، مولکول های گاز دراثر احتراق منبسط می گردند و فشار محفظه ی تراکم به شدّت بالا می رود و نیروی حاصل از آن به روتور اعمال شده و به علّت اختلاف مرکز دوران بین روتورومیل لنگ نیروی چرخشی درروتور ایجاد می گردد.این نیروی چرخشی به بادامک محور لنگ که در داخل روتور قرار دارد، وارد شده و به فلایویل و سیستم انتقال قدرت می رسد.
به موتور هایی که عمل احتراق به صورت منظم و پیوسته انجام میشود مانند موتورهای راکت و انواع موتور جت و توربین گازی اطلاق می شود.
به موتور هایی گفته میشود که عمل احتراق در آنها به صورت متناوب انجام می شود مانند موتور های پیستونی و پالس جت و موتور وانکل.
چرخه اتکینسون:
در علم ترمودینامیک و در بحث چرخههای ترمودینامیکی، موتور چرخهٔ اتکینسون[2] یک نوع موتور درونسوز میباشد که توسط جیمز اتکینسون در سال ۱۸۸۲ میلادی ابداع شد. چرخهٔ اتکینسون برای فراهم کردن ماکزیمم چگالی توان به ازای هزینهٔ خرج شده، طراحی میشود و امروزه در برخی از خودروهای برقی دو گانه(همچون تویوتا پریوس) کاربرد دارد.
جیمز اتکینسون
چرخهٔ ایدهآل ترمودینامیکی:
منحنی فشار - حجم چرخهٔ ایدهآل اتکینسون
چرخهٔ اتکینسون ایدهآل شامل فرآیندهای زیر میباشد:
۱ به ۲ – فرآیند تراکم هم آنتروپی) بیدرو و برگشتپذیر(
۲ به ۳ – فرآیند گرمایش هم حجم
۳ به ۴ – فرآیند گرمایش هم فشار
۴ به ۵ – فرآیند انبساط هم آنتروپی
۵ به ۶ – فرآیند سرمایش هم حجم
۶ به ۱ - فرآیند سرمایش هم فشار
توربین گاز:Gas Turbine یک ماشین دوار است که بر اساس انرژی گازهای ناشی از احتراق کار میکند. هر توربین گاز شامل یک کمپرسور برای فشرده کردن هوا، یک محفظه احتراق برای مخلوط کردن هوا با سوخت و محترق کردن آن و یک توربین برای تبدیل کردن انرژی گازهای داغ و فشرده به انرژی مکانیکی است. بخشی از انرژی مکانیکی تولی شده در توربین، صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین شده و باقی انرژی، بسته به کاربرد توربین گاز، ممکن است ژنراتور برق را بچرخاند (توربو ژنراتور)، به هوا سرعت دهد (توربوجت و توربوفن) و یا مستقیماً (یا بعد از تغییر سرعت چرخش توسط جعبه دنده) به همان صورت مصرف شود (توربوشفت، توربوپراپ و توربوفن). موتور جت شامل توربوجت، توربوفن، توربوشفت، توربوپراپ، رمجت، موشک می باشد.
در سال ۱۷۹۱، یک مخترع انگلیسی به نام جان باربر، یک ماشین طراحی کرد که از نظر ماهیت کارکرد شبیه به توربینهای گاز امروزی بود و حق امتیاز این طرح را به نام خود ثبت کرد .او این توربین را برای به حرکت درآوردن یک کالسکه بدون اسب طراحی کرده بود. در سال ۱۹۰۴، یک پروژه ساخت توربین گاز توسط فرانتس استولز در برلین انجام شد که اولین کمپرسور محوری جهان در ساخت آن مورد استفاده قرار گرفته بود، ولی این پروژه ناموفق بود. در طی سالهای بعد، افراد مختلف بر روی ایده توربین گاز فعالیت کردند، به طوری که شرکت جنرال الکتریک آمریکا که امروزه بزرگترین تولیدکنندهٔ توربین گاز در جهان است، در سال ۱۹۱۸ بخش توربین گاز خود را راهاندازی کرد. با این وجود، نخستین توربین گازی برای تولید انرژی برق، در سال ۱۹۳۹ میلادی و در شرکت براون باوریدر سوئیس ساخته شد که ظرفیت آن ۴ مگاوات بود.
مبنای کارکرد:
چرخهٔ برایتون، اساس کارکرد توربینهای گاز:
مبنای کار توربینهای گاز از نظر ترمودینامیکی، بر اساس چرخهٔ برایتون است که در آن، هوا به صورت بیدررو فشرده شده، احتراق در فشار ثابت رخ داده و انبساط هوای فشرده و داغ در توربین، به صورت بیدررو رخ میدهد و هوا به فشار اولیه میرسد. در عمل، اصطکاک و توربولانس باعث میشوند که:
با افزایش دمای هوای ورودی به توربین، راندمان توربینهای گاز افزایش مییابد؛ بنابراین، بهتر است که این دما هر چه بیشتر انتخاب شود. اما در این مورد از نظر تحمل مواد تشکیلدهندهٔ محفظهٔ احتراق و پرههای توربین، محدودیت وجود دارد؛ بنابراین، در این قسمتها که به آنها بخشهای داغ یا Hot Sections، گفته میشود، از مواد مقاوم به دماهای زیاد مانند سوپرآلیاژها استفاده میشود. همچنین این قسمتها با استفاده از تکنولوژیهای پیچیدهای خنککاری میشوند.
انواع توربین گاز:
توربین گاز سری H شرکت جنرال الکتریک، این توربین ۴۸۰ مگاواتی در چیدمان سیکل ترکیبی، بازده حرارتی ۶۰٪ دارد.
توربینهای گاز صنعتی برای تولید توان الکتریکی، که توربوژنراتور گاز هم نامیده میشوند، توربینهای گازی هستند که توان تولیدشده به وسیلهٔ آنها، مستقیماً و یا پس از تغییر سرعت دوران در جعبهدنده، به ژنراتور منتقل شده و در آنجا به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. این نوع توربین گاز، میتواند به صورت سیکل ساده (به انگلیسی: Single Cycle) و یا سیکل ترکیبی (به انگلیسی: Combined Cycle) باشد. در حالت سیکل ساده، گازهای خروجی از اگزوز توربین که میتوانند تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد دما داشته باشند، مستقیماً وارد هوا شده و انرژی باقیمانده در آن هدر میرود؛ ولی در حالت سیکل ترکیبی، یک یا دو توربین گاز با یک توربین بخار کوپل میشوند و گازهای خروجی از توربین گاز در بخشی به نام بویلر بازیاب، آب بازگشتی از کندانسور توربین بخار را که توسط پمپ فشرده شده، به بخار تبدیل میکنند. در نتیجه در حالت سیکل ترکیبی، از انرژی موجود در گازهای خروجی از اگزوز توربین گاز استفاده شده و بویلر توربین بخار بدون نیاز به سوخت، بخار آب تولید میکند؛ بنابراین، با استفاده از این روش، راندمان سیکل افزایش مییابد. توربوژنراتورها همچنین میتوانند به صورت تولید همزمان برق و گرما (به انگلیسی: Cogeneration) استفاده شوند که در این ترکیب، گاز خروجی از آنها برای تولید آب گرم و یا هوای گرم ساختمانها و کارخانجات استفاده میشود.
این نوع از توربینهای گاز که شامل توربوکمپرسورها و توربوپمپها میشوند، توربینهای گازی هستند که در آنها انرژی تولید شده توسط توربین، صرف به گردش درآوردن یک کمپرسور (جهت فشردهکردن یک مادهٔ گازی) یا پمپ (جهت بالابردن فشار یک مایع) میشود.
موتورهای جت[ویرایش]
اصول کار توربوجت
موتورهای جت، نوعی موتور هستند که از شتاب دادن و تخلیه سیال برای ایجاد پیشرانش بر پایه قانون سوم نیوتن استفاده میکنند. دو نوع از موتورهای جت یعنی توربوجتها و توربوفنها شامل توربین گاز بوده و در واقع یک نوع توربین گاز هستند.
توربوجتها، نوعی توربین گاز هستند که در آنها همهٔ انرژی تولید شده در توربین صرف چرخاندن کمپرسور میشود و هوای داغ خروجی از توربین پس از عبور از یک نازل، سرعت گرفته و به صورت یک جت سیال با سرعت زیاد از انتهای آن خارج میشود.
اصول کار مو
[1] نیکلاس اوگوست اوتو، مخترع آلمانی بود که در سال 1876 اولین موتور درونسوز چهارزمانه را ساخت که الگو و مدلی شد برای صدها میلیون موتور مشابه که از آن زمان تا کنون ساخته شده است. موتور درونسوز یک وسیله گردنده است که در قایق موتوری و موتورسیکلتها کاربرد دارد. علاوه بر موارد استعمال فراوان آن در صنعت، اختراع هواپیما بدون استفاده از آن غیر ممکن بود. تا قبل از پرواز اولین هواپیمای جت در سال 1939، نیروی محرکه تمام هواپیماها در واقع توسط موتورهای درونسوز که چرخهکار آنها بر مدار اوتو بودف تأمین میشد. امّا مهمترین مورد کاربرد موتورهای درونسوز استفاده ازآنان در اتومبیلها است. قبل از آنکه اوتو موتور خود را اختراع کند برای ساخت اتومبیل تلاشهای فراوان و عدیدهای شده بود. برخی مخترعین نظیر زیگفرید مارکوس (در سال 1875) اتین لنور (در سال 1862) و نیکلاژوزف کنوت (در سال 1769) موفق به ساخت مدلهایی شدند که حرکت میکرد. اما به علت نبودن موتور مناسب، موتوری که هر دو مزیت وزن کم و قدرت زیاد را با هم داشته باشد هیچ کدام از آن مدلها در عمل قابل استفاده نبود. ولی در خلال پانزده سال پس از اختراع موتور چهار زمانه اوتو، دو مخترع آلمانی دیگر، کارل بنز و گوتلمب دایملر، هر یک اتومبیلهایی قابل استفاده و قابل فروش ساختند...
[2] جیمز اتکینسون : James Atkinson (physicist ۱۷ فوریه ۱۹۱۶ – ۹ مه ۲۰۰۸) یک فیزیک آزمایشگاهی اهل بریتانیا بود.
موتور درونسوز
موتورهای درون سوز (موتورهای احتراق داخلی(
ریشه لغوی
موتور درون سوز یا موتور احتراق داخلی ترجمه عبارت انگلیسی Intrer combustion Engine است. و به موتورهایی گفته میشود که سوخت در داخل محفظه موتور سوزانده میشود.
نگاه اجمالی
یک موتور احتراق داخلی وسیله ای است که انرژی محبوس در سوختهای فسیلی نظیر بنزین ، گازوئیل و یا نفت ، گاز مایع LPG را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده و آنرا در انتهای شفت میل لنگ ، خارج از پوسته موتور ، به صورت چرخش صفحه فلایویل در اختیار مصرف کننده میگذارد.
تاریخچه
اولین تجربه کارآ و قابل ذکر در زمینه ساخت موتورهای احتراق داخلی در سال 1876میلادی اتفاق افتاد. در این سال یک مخترع آلمانی به نام «ان.ای.اتو» موفق شد که یک موتور احتراق داخلی ، چهارزمانه را به ثبت برساند که اصول کار موتور در حال حاضر اصول کار موتورهای رایج است. از آن تاریخ به بعد تحول چندانی در ساختمان این موتورها از لحاظ کارکردی اتفاق نیافتاده است. بلکه مدلهای مختلف و انواع پیشرفتهتری ساخته شدهاند که با نمونه اولیه بسیار مشابهند. البته در سال 1957 موتوری توسط «وانکل» ساخته شد که اگرچه اصول موتورهای اتو را به کار میبرد لیکن ساختمان آن متفاوت است.
انواع موتورهای احتراق داخلی
این موتورها را به دسته کلی موتور چهارزمانه و موتورهای دوزمانه میتوان تقسیم کرد. اصول کاری این موتورها مشابه است. لیکن نحوه عمل آنها به علت تفاوتهای ساختاری اندکی متفاوت است.
معیارهای دیگر جهت طبقه بندی موتورهای احتراق داخلی
روش دیگر برای طبقه بندی این موتورها (اعم از دوزمانه یا چهار زمانه) ذکر کردن تعداد سیلندرهای این موتورهاست. در این موتورها سیلندرها که در واقع واحدهای تولید انرژی مکانیکی میباشند در کنار یکدیگر قرار میگیرند. بر این اساس موتورهای متنوعی ساخته شدهاند که انواع متداول آنها میتوانند یک سیلندر ، دو سیلندر ، سه سیلندر ، چهار سیلندر ، شش سیلندر ، هشت ، ده و دوازده و در مواردی بیست وچهار سیلندر باشد.
البته معیارهای دیگری نیز برای طبقه بندی این موتورها به کار میرود. مثلا اگر نحوه آرایش سیلندرها را معیار در نظر بگیریم میتوانیم موتورها را به انواع: موتورهای خطی ، موتورهای V شکل یا خورجینی و موتورهای شعاعی تقسیم بندی کنیم و یا اینکه میتوان برای طبقه بندی موتورها از حجم آنها استفاده کرد که عبارت است از حجم کل پیستونهای آنها زمانیکه در نقطه مرگ پایین باشند. روش دیگر برای طبقه بندی این موتورها ، نحوه مشتعل شدن سوخت در این موتورها است. بر این اساس موتورهای احتراق داخلی به دو دسته تقسیم می شوند.
طرز کار
نحوه کار موتورهای احتراق داخلی را به شکل خلاصه میتوان اینگونه بیان کرد.
البته این چهار مرحله در موتور چهارزمانه اتفاق می افتد و در موتورهای دو زمانه مراحل 1 و 2 و مراحل 3 و 4 با یکدیگر تواما انجام میشوند. به هر حال پس از انجام مرحله انفجار (توان) انرژی آزاد شده از سوختن ماده سوختنی آزاد شده است و باعث حرکت پیستون میگردد. از آنجایی که حرکت پیستون بصورت رفت و برگشتی است. برای تبدیل این حرکت به حرکت دورانی به یک قطعه دیگر در موتور به نام میل لنگ نیاز است که به پیستون یا پیستونها بر حسب تعداد سیلندر موتور[متصل شده و حرکت رفت و برگشتی را به حرکت چرخشی تبدیل می کند.
ساختمان
موتورهای احتراق داخلی برای درست کار کردن به سیستم های مختلفی نیازمندند که همگی میبایست به دقت و نحو مطلوب وظیفه خود را انجام دهند. اجزا و سیستمهای تشکیل دهنده یک موتور احتراق داخلی را میتوان به شرح زیر برشمرد.