مقالات خودرو : فنی : نحوه عملکرد موتورهای دیزلی

نحوه عملکرد موتورهای دیزلی

چگونگی عملکرد موتور خودرو و توصیف عملکرد اصلی آن در خصوص احتراق داخلی، چرخه چهار زمانه و در مجموع کلیه اجزا و قطعات لازم برای افزایش کارایی و عملکرد بهتر پیشرانه خودرو یکی از محبوب ترین موضوعاتی است که توجه افراد بسیاری را به سوی خود جلب می‌کند. تفاوت میان یک موتور دیزلی و بنزینی نیز، بخشی از همین ماجرا است. داستان موتور دیزلی درست با اختراع موتور بنزینی آغاز می‌شود. موتور بنزینی توسط نیکلاس آگوست اتو (Nikolaus August Otto) اختراع شد و در سال 1876 به ثبت رسید. این موتور از اصول احتراق چهار زمانه معروف به "چرخه اتو" استفاده می‌کرد و اکنون به یکی از موتورهای پرکاربرد در خودروهای امروزی تبدیل شده است. در ابتدای ورود، این موتورها به دلیل ناکارآمدی و وجود سایر متدهای حمل و نقل همانند موتور بخار با اقبال خوبی مواجه نشدند. این موتورها تنها از 10 درصد سوخت برای به حرکت درآوردن خودرو استفاده می‌کردند و باقی آن صرف تولید گرمای بیهوده می‌شد. 

در سال 1878، رادولف دیزل (Rudolf Diesel) بعد از شرکت در کلاس های دبیرستان پلی تکنیک آلمان، متوجه شد که موتورهای بخار و دیزلی از کارایی کمی برخوردار هستند. همین مسئله، جرقه ای در ذهن رادولف برای ساخت موتوری با کارایی بالاتر زد؛ وی زمان زیادی را برای اختراع یک "موتور احتراق برقی (Combustion Power Engine)" صرف کرد. ثمره ثبت این اختراع در سال 1892، پیشرانه ای است که اکنون موتور دیزلی نامیده می‌شود. با این توصیفات، این سوال مطرح می‌شود که چرا از این موتورها علی رغم کارآمدی زیادشان، در صنعت خودروسازی چندان استفاده نمی‌شود؟ شاید بتوان علت آن را در دید نادرست افراد به معنای لغوی آن دانست؛ وقتی به معنای لغت "موتور دیزلی" فکر می‌کنید، خودرویی سنگین با بار زیاد که در حال ریختن است، دود سیاه و سر و صدایی وحشتناک در ذهنتان تداعی می‌شود؛ مسلم است که این تصویر منفی از یک خودروی سنگین دارای این موتور، کشش و جذابیت به سوی این پیشرانه را کاهش و افراد را نسبت به آن دل چرکین می‌کند. جالب است بدانید که این موتورها برای حمل کالاهایی در مسافت های طولانی بسیار کاربردی و مهم هستند، اما برای همه افراد بهترین گزینه انتخابی نیست. اکنون زمان تغییر کرده و بهبود دید مردم نسبت به موتورهای دیزلی با سوختی بهتر و تولید کمترین صدا فرا رسیده است. در این مقاله قصد داریم که در ابتدا به چگونگی عملکرد موتورها برای ایجاد حس بهتر نسبت به احتراق درونی بپردازیم و سپس پرده از رموز موتورهای دیزلی برداریم. همچنین در این مقاله می‌توانید چیزهایی در خصوص پیشرفت های صورت گرفته نیز، بدانید. 

موتورهای دیزلی در مقابل موتورهای بنزینی

از نظر تئوری، این دو موتور شباهت زیادی به یکدیگر دارند. هر دو آنها دارای احتراق درونی هستند و برای تبدیل انرژی شیمیایی موجود در سوخت به انرژی مکانیکی طراحی شده‌اند. بعد از تولید انرژی مکانیکی، پیستون های موجود در داخل سیلندر با حرکت بالا و پایین خود، موجب چرخش میل لنگ برای به حرکت در آوردن تایرهای خودرو و حرکت رو به جلوی وسیله نقلیه می‌شود؛ شایان ذکر است که پیستون ها به میل لنگ متصل هستند و نوع حرکت ایجاد شده بین پیستون ها و میل لنگ به حرکت خطی شهرت دارد. هر دو موتور دیزلی و بنزینی، سوخت را با ایجاد انفجارهای کوچک یا احتراق، به انرژی تبدیل می‌کنند. تنها تفاوت موجود بین این دو موتور، به شیوه بروز این انفجارها بازمی‌گردد. در موتور بنزینی، بعد از ترکیب شدن سوخت با هوا و فشرده شدن آن توسط پیستون، موتور به مرحله احتراق از طریق شمع ها می‌رسد. در موتورهای دیزلی، در ابتدا هوا فشرده و سپس سوخت تزریق می‌شود. در زمان فشرده شدن هوا، افزایش دما رخ می‌دهد و سوخت به مرحله احتراق می‌رسد. در تصویر زیر، کل این چرخه در عمل به شما نشان داده شده است؛ اکنون شما به راحتی می‌توانید تمامی مراحل بالا را با تصویر مطابقت دهید و مقایسه کنید. 

موتورهای دیزلی نیز، همانند موتورهای بنزینی از یک چرخه احتراق چهار زمانه استفاده می‌کنند. مشخصات احتراق چهار زمانه به صورت زیر است :

- مکش : در این مرحله سوپاپ باز می‌شود و به هوا اجازه عبور را می‌دهد؛ در این حالت حرکت پیستون رو به پایین است.

- فشرده سازی : پیستون رو به بالا حرکت و هوا را کاملا فشرده می‌سازد. 

- احتراق : به محض رسیدن پیستون به قسمت بالایی موتور، سوخت تزریق و احتراق صورت می‌پذیرد؛ همین امر موجب بازگشت پیستون به حالت اول خود می‌شود. 

- تخلیه : مجددا پیستون به سمت بالای موتور حرکت و انفجار ایجاد شده را از سوپاپ اگزوز خارج می‌سازد.

به خاطر داشته باشید که موتورهای دیزلی به دلیل نداشتن شمع، هوا را وارد و سپس فشرده می‌کنند و همین موضوع موجب تزریق مستقیم سوخت درون محفظه احتراق می‌شود. گرمای ایجاد شده از فشردگی هوا، موجب احتراق سوخت در موتورهای دیزلی می‌شود.

تزریق سوخت دیزلی

فرایند تزریق سوخت یکی از بزرگ ترین تفاوت های میان یک موتور دیزلی و یک موتور بنزینی محسوب می‌شود. اکثر خودروها از سیستم سوخت انژکتور یا کاربراتور استفاده می‌کنند. کاربراتور سوخت را در پشت سیلندر تزریق می‌کند. گفتنی است که کاربراتور قبل از ورود هوا به داخل سیلندر، هوا و سوخت را با یکدیگر ترکیب می‌کند. در موتور خودرو، تمام سوخت در مرحله مکش درون سیلندر وارد و سپس فشرده می‌سازد. فشردگی ترکیب بنزین و هوا با یکدیگر موجب محدود شدن ضریب احتراق و در صورت فشردگی بیش از حد، ترکیب سوخت/هوا به صورت همزمان احتراق و موجب ضربه زدن موتور (Knocking) می‌شود. زیرا این موضوع موجب تولید گرمای اضافی می‌شود و می‌تواند به موتور آسیب برساند. موتورهای دیزلی از سیستم سوخت رسانی مستقیم استفاده می‌کنند؛ یعنی گازوئیل به صورت مستقیم درون سیلندر تزریق می‌شود. انژکتور در موتورهای دیزلی، اجزای نسبتا پیچیده ای داشته و به بررسی بیشتری نیاز دارد چرا که در موتورهای گوناگون، ممکن است در محل های مختلفی تعبیه شود. انژکتور باید توانایی تحمل گرما و فشار درون سیلندر را داشته باشد و نیز، عمل پاشش سوخت را به درستی انجام دهد. تزریق سوخت به داخل سیلندر با مقدار مناسب، خود به تنهایی عمل دشواری است؛ به همین دلیل در برخی از موتورهای دیزلی از سوپاپ های مخصوص و محفظه های پیش از احتراق یا سیستم های دیگر برای گردش هوا در محفظه احتراق استفاده می‌کنند یا به روش های دیگر، کل روند احتراق را بهبود می‌بخشند. برخی موتورهای دیزلی دارای شمع گرمکن (glow plug) هستند؛ یعنی زمانی که موتور دیزلی سرد است، هوای داخل سیلندر دمای لازم برای عمل احتراق را ندارد؛ به همین دلیل شمع گرمکن که یک سیم گرمایشی می‌باشد، توسط جریان الکتریکی گرم شده و محفظه احتراق را گرم و دمای هوا را در زمان سرد بودن موتور برای امکان استارت خوردن خودرو افزایش می‌دهد. کلی برادرتون (Cley Brotherton)، استادکار فنی ابزارالات سنگین، می‌گوید : "تمامی دستورالعمل های موتور های امروزی از طریق مادول کنترل الکتریکی (ECM) با مجموعه ای از سنسورهای پیچیده هر چیزی از دور موتور گرفته تا مایع خنک کننده و دمای روغن را کنترل می‌کند. البته شمع گرمکن های امروزی روی موتورهای بزرگ تر به ندرت استفاده می‌شود. سیستم ECM با استفاده از میزان دمای هوا، موتور را در هوای سرد برای پاشش صحیح سوخت، تنظیم می‌کند. در این حالت، هوا در سیلندر بیشتر فشرده می‌شود و دمای بیشتری را ایجاد می‌کند که می‌تواند به استارت خودرو کمک کند. خودروهای دارای موتور کوچک تر و آنهایی که از چنین سیستم کامپیوتری بی بهره هستند، از شمع گرمکن برای حل مشکل استارت سرد استفاده می‌کنند. البته، تنها تفاوت میان موتورهای دیزلی و بنزینی فقط از جنبه مکانیکی نمی‌باشد؛ چرا که بحث اصلی به نوع سوخت برمی‌گردد. 

سوخت دیزلی

نفت خام تنها سوخت طبیعی است که در زمین یافت می‌شود؛ پس از تصفیه آن در پالایشگاه، به چند نوع مختلف سوخت همانند بنزین، سوخت جت، نفت سفید و البته گازوئیل جداسازی می‌شود. اگر تا به حال بنزین و گازوئیل را با یکدیگر مقایسه کرده باشید، مسلما می‌دانید که این دو وجه تمایزاتی با یکدیگر دارند. حتی از نظر بو نیز، با یکدیگر متفاوتند. سوخت گازوئیل سنگین تر و روغنی تر است؛ بسیار کندتر از بنزین بخار می‌شود و نقطه جوش آن نیز، بالاتر از دمای جوش آب است. سوخت گازوئیل به دلیل روغنی بودن زیاد، به عنوان "سوخت دیزلی" شناخته می‌شود. گازوئیل به دلیل سنگین تر بودن، دیرتر بخار می‌شود؛ این سوخت دارای اتم های بیشتر در زنجیره های طولانی تر نسبت به بنزین است (بنزین معمولا زنجیره C9H20، و گازوئیل C14H30 است). همچنین گازوئیل به تصفیه کمتری نیاز دارد و به همین دلیل نسبت به بنزین ارزان تر است. از سال 2004، تقاضا برای گازوئیل به دلایلی همانند افزایش صنعتی شدن و ساخت و ساز در چین و آمریکا افزایش یافته است. گازوئیل در مقایسه با بنزین دارای چگالی بالاتری است؛ به طور متوسط، 1 گالن (3.8 لیتر) گازوئیل شامل 155x10⁶ ژول (147,000 BTU) و بنزین شامل 132x10⁶ ژول (125,000 BTU) است. این میزان با بهبود کارآمدی موتورهای دیزلی ترکیب می‌شود و دلیل طی کردن مسافت بهتر موتورهای دیزلی نسبت به موتورهای بنزینی را توصیف می‌کند. طیف وسیعی از خودروها و ماشین آلات، قدرت خود را از موتور دیزلی دریافت می‌کنند. البته این سوخت در کامیون های سنگین موجب کندی حرکت آن در بزرگراه می‌شود، اما به حرکت قایق ها، اتوبوس های مدرسه، اتوبوس های شهری، قطارها، جرثقیل، ماشین آلات کشاورزی، خودروهای امدادی و ژنراتورها کمک می‌کند. به مقرون به صرفه بودن این سوخت نیز، فکر کنید؛ به غیر از کارآمدی بالا، هم صنعت ساخت و هم کشاورزی بی اندازه از سرمایه گذاری در سوخت با قدرت و کارایی کم رنج می‌برند. 94 درصد حمل و نقل که با کامیون، قطار یا قایق ارسال می‌شوند، به گازوئیل متکی هستند. از نظر محیطی، گازوئیل دارای مخالفان و موافقان متعددی است؛ موافقان می‌گویند که گازوئیل میزان کمی مونوکسیدکربن، هیدروکربن و دی اکسید کربن از خود ساطع می‌کند که آلایندگی آنها منجر به گرم شدن زمین می‌شود. مخالفان معتقدند که میزان بالای ترکیبات بالای نیتروژن آن و آزاد شدن دوده در نتیجه  سوختن گازوئیل، منجر به باران اسیدی، مه و شرایط ناسالم می‌شود. 

بهبود دیزل و بیودیزل (Biodiesel)

در طول بحران بزرگ نفت در دهه 1970، کمپانی های خودروساز اروپایی شروع به تبلیغات تجاری در خصوص استفاده از موتورهای دیزلی به عنوان جایگزینی برای موتورهای بنزینی کردند. افرادی که از موتورهای دیزلی استفاده کردند، با مشاهده صدای زیاد و و پوشیده شدن خودرویشان با دود سیاه، از آن ناامید شدند؛ ساطع شدن همین دود از این موتورها است که موجب ایجاد مه در شهرهای بزرگ می‌شود. بیش از 30 تا 40 سال، پیشرفت ها و اصلاحات زیادی در خصوص عملکرد و پاکیزگی این موتورها انجام شده است. اکنون ابزارهای سوخت تزریقی با استفاده از کامپیوترهای پیشرفته که احتراق سوخت، افزایش کارآمدی و کاهش آلایندگی را زیر نظر می‌گیرند، کنترل می‌‌شوند. تصفیه بهتر سوخت های دیزلی همانند سوخت دیزلی با کمترین میزان سولفور (ULSD)، میزان آلایندگی مضر آن را کاهش و ارتقای موتور خودرو موجب مطابقت پیشرانه با سوختی تمیزتر برای داشتن روندی ساده تر می‌شود. تکنولوژی های دیگری همانند فیلترهای خاص CRT و مبدل کاتالیستی، انتشار مواد خاص، مونوکسید کربن و هیدروکربن را تا بیش از 90 درصد کاهش می‌دهد. ادامه این روندهای استاندارد برای داشتن سوختی پاک تر از طرف اتحادیه اروپا (EU) از سپتامبر سال 2009، صنعت خودروسازی را مجبور به تلاش بیشتر برای ساخت خودروهایی با کمترین میزان آلایندگی کرد؛ این سازمان امیدوار است که با این کار بتواند مواد ساطع شده سوخت را از 25 میلی گرم بر کیلومتر به 5 میلی گرم بر کیلومتر کاهش دهد. ممکن است که شما نام بیودیزل به گوشتان خورده باشد. آیا فکر می‌کنید این سوخت نیز، مشابه گازوئیل است؟ شما می‌توانید با انجام تغییرات جزئی و حتی در برخی موارد بدون کوچکترین تغییری در موتور خودرو، از بیودیزل به عنوان سوخت یا افزودنی استفاده کنید. این سوخت به جای نفت، از روغن گیاهی یا چربی حیوانی به دست می‌آید که از لحاظ شیمیایی تجدیدپذیر است. نکته جالب اینکه رادولف دیزل در ابتدا دانه های روغنی گیاهی را به عنوان سوخت برای اختراعش در نظر گرفته بود.