موتور احتراق داخلی چگونه کار می کند؟

موتور احتراق داخلی چیست؟

موتور احتراق داخلی (ICE یا موتور IC) یک موتور حرارتی است که در آن احتراق سوخت با یک اکسید کننده (معمولاً هوا) در یک محفظه احتراق که بخشی جدایی ناپذیر از مدار جریان سیال کار است، رخ می دهد. در یک موتور احتراق داخلی، انبساط گازهای با دمای بالا و فشار بالا تولید شده توسط احتراق، نیروی مستقیمی را به برخی از اجزای موتور وارد می کند.

چنین موتورهایی انرژی خود را از گرمای آزاد شده در طی احتراق سیال عامل واکنش نداده، مخلوطی از اکسیدان و سوخت، به دست می آورند. این فرآیند در داخل موتور انجام می شود و بخشی از چرخه ترمودینامیکی دستگاه است.

کار مفید تولید شده توسط یک موتور احتراق داخلی (IC) از محصولات گازی داغ حاصل از احتراق حاصل می شود که بر روی سطوح متحرک موتور مانند پیستون ها ، پره های توربین یا نازل ها عمل می کنند.

موتور احتراق داخلی پرکاربردترین و پرکاربردترین دستگاه تولید برق در حال حاضر است. به عنوان مثال می توان به موتورهای بنزینی، موتورهای دیزلی، موتورهای توربین گازی و سیستم های راکتی اشاره کرد.

موتورهای احتراق داخلی به دو گروه موتورهای احتراق پیوسته و موتورهای احتراق متناوب تقسیم می شوند. موتورهای احتراق پیوسته با جریان ثابت سوخت و اکسیدان به موتور مشخص می شوند.

شعله پایدار را در موتور (مانند موتور جت) حفظ می کند. موتورهای احتراق متناوب با احتراق دوره ای هوا و سوخت مشخص می شوند و معمولاً به عنوان موتورهای رفت و برگشتی شناخته می شوند . حجم های جداگانه ای از هوا و سوخت به صورت چرخه ای پردازش می شوند. موتورهای پیستونی بنزینی و موتورهای دیزلی نمونه هایی از این گروه دوم هستند.

رایج ترین موتورهای احتراق داخلی عبارتند از موتورهای چهار زمانه ، موتورهای بنزینی، شارژ همگن و موتورهای جرقه زنی . این به دلیل عملکرد عالی آن به عنوان یک نیروی محرکه در صنعت حمل و نقل زمینی است.

بیشتر بخوانید: موتور احتراق خارجی چیست؟

موتور احتراق داخلی چگونه کار می کند؟

موتور احتراق داخلی یک موتور حرارتی است که انرژی حاصل از احتراق یک سوخت را به کار مکانیکی تبدیل می کند. موتور از یک سیلندر با یک پیستون متحرک در داخل تشکیل شده است.

هنگامی که سوخت مشتعل می شود، می سوزد و گازهای داغ و در حال انبساط ایجاد می کند. این گازها به پیستون فشار می آورند و باعث حرکت آن می شوند. حرکت پیستون از طریق میل لنگ و پیشرانه به چرخ های خودرو منتقل می شود که خودرو را به جلو می راند.

دو نوع اصلی از موتورهای احتراق داخلی وجود دارد: موتورهای بنزینی با احتراق جرقه ای و موتورهای دیزلی با احتراق تراکمی. موتورهای جرقه زنی از شمع برای احتراق مخلوط سوخت و هوا در داخل سیلندر استفاده می کنند.

سوخت با هوا مخلوط شده و در طی فرآیند مکش به سیلندر القا می شود. سپس پیستون مخلوط سوخت و هوا را فشرده می کند و شمع آن را مشتعل می کند و باعث احتراق سوخت می شود. گازهای در حال انبساط حاصل از احتراق به پیستون فشار می آورند و جریان برق را ایجاد می کنند.

از طرف دیگر موتورهای دیزلی از شمع برای احتراق سوخت استفاده نمی کنند. در عوض، آنها فقط هوا را به داخل سیلندر وارد کرده و آن را فشرده می کنند. سپس، غبار ریز سوخت را به هوای داغ و فشرده تزریق می کنند. گرمای هوای فشرده باعث شعله ور شدن سوخت می شود و گازهای در حال انبساط حاصل از احتراق به پیستون فشار می آورند و جریان برق را ایجاد می کنند.

هر دو نوع موتورهای احتراق داخلی در یک چرخه چهار زمانه کار می کنند که شامل چهار فرآیند مجزا است: مکش، تراکم، احتراق و کورس قدرت، و اگزوز.

چرخه عملیات چهار زمانه به شرح زیر است.

• سکته های مصرفی کورس ورودی شیر ورودی را باز می کند و پیستون به سمت پایین سیلندر حرکت می کند و هوا را می مکد. برای موتورهای جرقه زنی، سوخت معمولا با هوا مخلوط می شود.
• ضربه های فشرده سازی سکته فشرده سازی هر دو سوپاپ را می بندد و پیستون به سمت بالای سیلندر حرکت می کند. احتراق زمانی اتفاق می افتد که پیستون به نقطه مرگ بالا (TDC) نزدیک می شود. برای موتورهای احتراق تراکمی، سوخت به سمت انتهای کورس تراکمی تزریق می شود.
• سکته احتراق و قدرت. احتراق از طریق شارژ پخش می شود، فشار و دما را افزایش می دهد و پیستون را به سمت پایین هل می دهد. در پایان کورس برق، دریچه های اگزوز باز می شوند و انبساط غیرقابل برگشت گازهای خروجی را “blowdown” می نامند.
• در کورس اگزوز، سوپاپ اگزوز باز می ماند و گاز باقی مانده با حرکت پیستون به بالای سیلندر خارج می شود. هنگامی که دریچه اگزوز در انتهای کورس اگزوز بسته می شود، گازهای خروجی باقی می مانند. اینها شارژ بعدی را کم می کند.

یک چرخه چهار زمانه گاهی اوقات به صورت «مکیدن، فشار دادن، ضربه زدن و ضربه زدن» خلاصه می شود. این چرخه فقط یک بار در هر دو دور کامل می شود، بنابراین چرخ دنده سوپاپ (و انژکتورهای سوخت) باید توسط مکانیزمی هدایت شوند که با نصف موتور کار می کند. انقلاب بخشی از نیروی حاصل از حرکت انبساط در فلایویل ذخیره می شود تا سه حرکت دیگر را تامین کند.

کاربردهای موتورهای احتراق داخلی

موتورهای احتراق داخلی پرکاربردترین و پرکاربردترین دستگاه های مولد نیرو هستند که در حال حاضر وجود دارند. به عنوان مثال می‌توان به موتورهای بنزینی، موتورهای دیزلی، موتورهای توربین گازی و سیستم‌های راکت پیشران اشاره کرد.

موتورهای احتراق داخلی در بسیاری از کاربردها استفاده می شوند، از جمله:

• حمل و نقل . موتورهای احتراق داخلی برای تامین انرژی خودروها، اتوبوس‌ها، کامیون‌ها، موتورسیکلت‌ها، قایق‌ها و هواپیماها استفاده می‌شوند.
• تولید برق. از موتورهای احتراق داخلی می توان برای تولید برق در نیروگاه ها استفاده کرد.
• کشاورزی. موتورهای احتراق داخلی برای تامین انرژی تراکتورها و سایر ماشین آلات کشاورزی استفاده می شوند.
• ساخت و ساز. موتورهای احتراق داخلی برای تامین انرژی تجهیزات ساختمانی مانند بولدوزر، بیل مکانیکی و جرثقیل استفاده می شود.
• نظامی. موتورهای احتراق داخلی برای تامین انرژی تانک ها، خودروهای نظامی و کشتی ها استفاده می شوند.
• صنعتی. موتورهای احتراق داخلی برای تغذیه پمپ ها، ژنراتورها و سایر ماشین آلات صنعتی استفاده می شوند.
• تفریحی. موتورهای احتراق داخلی برای تامین انرژی انواع وسایل نقلیه تفریحی مانند ماشین های برفی، جت اسکی و وسایل نقلیه تمام زمینی استفاده می شوند.

مزایای موتورهای احتراق داخلی

موتورهای احتراق داخلی چندین مزیت دارند:

• ساخت آنها نسبتاً ساده و ارزان هستند، به خصوص در مقایسه با موتورهای الکتریکی.
• آنها می توانند با طیف گسترده ای از سوخت ها از جمله بنزین، گازوئیل و اتانول کار کنند، که آنها را بسیار انعطاف پذیر می کند.
• آنها قادر به تولید نسبت قدرت به وزن بالایی هستند که آنها را برای استفاده در وسایل نقلیه و سایر برنامه هایی که وزن نگران کننده است مناسب می کند.
• آنها چگالی انرژی بالایی دارند، به این معنی که می توانند انرژی زیادی را در یک فضای کوچک ذخیره کنند.
• آنها قادر به کار در محیط های مختلف، از جمله دماهای سرد و ارتفاعات هستند، جایی که موتورهای الکتریکی ممکن است به اندازه کافی موثر نباشند.
• نگهداری آنها نسبتاً آسان است و بسیاری از قطعات به راحتی در دسترس هستند و تعویض آنها نسبتاً ارزان است.

معایب موتورهای احتراق داخلی

موتورهای احتراق داخلی (ICEs) دارای چندین معایب هستند، از جمله:

• آلودگی ICE ها آلاینده های مضری مانند دی اکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن و ذرات معلق منتشر می کنند که به آلودگی هوا کمک می کند و اثرات منفی بر سلامت انسان و محیط زیست دارد.
• گزینه های سوخت محدود ICEها عمدتاً از سوخت‌های فسیلی مانند بنزین و گازوئیل تغذیه می‌شوند که منابع تجدید ناپذیری هستند که در صورت سوختن به تغییرات آب و هوایی کمک می‌کنند.
• سر و صدا. ICE ها می توانند بلند باشند و مقادیر قابل توجهی صدا تولید کنند که می تواند در مناطق مسکونی آزاردهنده باشد و باعث آسیب شنوایی افرادی شود که برای مدت طولانی در معرض صدا هستند.
• نگهداری. ICE ها نیاز به تعمیر و نگهداری منظم دارند، از جمله تعویض روغن، تعویض شمع و سایر خدمات، که می تواند پرهزینه و وقت گیر باشد.
• ناکارآمدی. ICE ها بسیار کارآمد انرژی نیستند، زیرا تنها درصد کمی از انرژی موجود در سوخت را به کار مفید تبدیل می کنند. این بدان معناست که بخش بزرگی از انرژی به عنوان گرما و گازهای گلخانه ای هدر می رود.
• طول عمر محدود. ICE ها طول عمر محدودی دارند و در نهایت فرسوده می شوند و نیاز به تعویض دارند که می تواند هزینه بر باشد.