معرفی موتورهای شش زمانه

 

 

عملکرد موتورهای درون­سوز به این صورت است که پس از تراکم مخلوط هوا و سوخت، انفجار در سیلندر رخ می­دهد. به بیانی دیگر، انبساط گاز مستقیماً روی پیستون اثر گذاشته و میل­لنگ را 180­درجه می­چرخاند. فرایند احتراق در موتورهای احتراقی به دو صورت داخلی و خارجی اتفاق می­افتد. در موتور درون­سوز فرایند اختلاط سوخت و هوا که منجر به انفجار و احتراق می­شود، درون موتور صورت گرفته و پس از احتراق، هیچ­کدام از اجزای یاد­شده قابل بازیافت نیستند (نظیر موتور خودرو و هواپیما) در موتورهای برون­سوز، احتراق سوخت بدون تماس مستقیم با سیال کاری، تولید قدرت می­کند (نظیر موتور بخار یا بویلرهای نیروگاه).

طراحی مکانیکی و ساختمانی موتور شش زمانه، همانند موتورهای درون­سوز است با این تفاوت که چرخه ترمودینامیکی تغییر کرده است. تعبیه دو اتاقک جدید در سر سیلندر این موتور را متمایز می­کند. اتاقک احتراق و اتاقک تراکم (گرمکن هوا) که هر دو از سیلندر موتور جدا هستند. با توجه به اینکه احتراق اصلی درون سیلندر رخ نمی­دهد، رخداد انفجار در محفظه احتراق کمکی، مستقیماً روی پیستون اثر نمی­گذارد و در نتیجه از 180درجه چرخش میل­لنگ در چرخه قدرت، مستقل است.

محفظه احتراق، کاملاً توسط محفظه گرمکن احاطه شده است. دیواره­های محفظه احتراق با تبادل گرما با محفظه گرمکن، باعث می­شوند که فشار هوا درون محفظه گرمکن افزایش یابد و قدرت اضافی تولید شود.

به طور خلاصه، مزایای موتورهای شش زمانه عبارتند از:

  • افزایش بازده حرارتی
  • کاهش مصرف سوخت
  • کاهش آلاینده های شیمیایی
  • کاهش آلودگی صوتی
  • افزایش کورس مفید کار
  • مصرف بهینه و پاشش مستقیم سوخت در هر دور موتور
  • امکان استفاده از چند سوخت مختلف

 

عملکرد موتورهای شش زمانه

در طول چرخه کاری موتور شش زمانه، محفظه های کمکی اجازه می­دهند برخی فرایند های ذیل همزمان عمل کنند. بنابراین، فرایند تولید قدرت برای هریک از چرخه­های درون­سوز و برون­سوز به وجود می­آید. شکل (1) نمودار پیوستگی هشت فرایند را نشان می­دهد.

 

شکل 1: فرایند های موتور شش­زمانه

مراحل چرخه برون­سوزی (شکل 2) عبارتند از:

فرایند 1: مکش هوای خالص درون سیلندر (فرایند دینامیکی)

فرایند 2: تراکم هوای خالص در محفظه گرمکن (فرایند دینامیکی)

فرایند 3: هوای خالص فشرده شده در محفظه بسته گرمکن با تبادل گرما با دیواره­های محفظه احتراق، افزایش دما پیدا می­کند (فرایندی استاتیکی است چون مستقیماً روی میل لنگ اثر نمی­گذارد)

فرایند 4: انبساط هوای داغ درون سیلندر و تولید قدرت (فرایند دینامیک)

 

شکل 2: فرایند برون­سوزی

طی این چهار فرایند، هوای خالص هرگز در تماس مستقیم با سوخت و شمع نخواهد بود.

دومین چرخه مربوط به درون­سوزی است.

فرایند 5: تراکم مجدد هوای خالص و گرم درون محفظه احتراق (فرایند دینامیک)

فرایند 6: تزریق سوخت، بدون تاثیر بر میل­لنگ و احتراق در محفظه احتراق (فرایند استاتیک)

فرایند 7: گازهای احتراق منبسط می­شوند و کار انجام می­شود (فرایند دینامیک)

فرایند 8: تخلیه محصولات احتراق (فرایند دینامیک)

 

شکل 3: فرایند درون­سوزی

طی این چهار فرایند، هوا مستقیماً با سوخت تماس دارد (شکل 3).

 

طراحی سرسیلندر

در سر سیلندر موتورهای شش­زمانه، دو محفظه و چهار سوپاپ به ازای هر سیلندر وجود دارد. این در حالی است که وجود دو سوپاپ برای مکش و تخلیه، امری متداول است. دو سوپاپ دیگر، از مواد مقاوم در برابر حرارت بالا ساخته شده­اند. فشار بالا در محفظه سوپاپ­ها طی مراحل احتراق و گرم کردن هوا ممکن است سوپاپ­ها را باز کند. برای پیشگیری از این پدیده، روی هر دو سوپاپ یک پیستون نصب شده که فشار روی سوپاپ­ها را خنثی می­کند. نکته دیگر اینکه در چرخه شش زمانه، سرعت دورانی میل بادامک یک سوم میل­لنگ است (شکل 4).

دیواره های محفظه احتراق، هنگامی که موتور روشن است، در واقع سوزان هستند. محفظه گرمکن هوا، محفظه احتراق را احاطه کرده است. ضخامت کم­دیواره، امکان تبادل حرارت مابین دو محفظه را به وجود می­آورد. محفظه گرمکن هوا برای کاهش تلفات حرارتی از سر سیلندر، عایق شده است (برای معرفی ساده­تر موتور، جزئیات محفظه احتراق در این مقاله تشریح نشده است).

انتقال حرارت از محفظه احتراق به محفظه گرمکن، طی دو مرحله انجام می­شود که نتیجه آن فشار کمتر بر روی پیستون و نرمی بهتر موتور است. از آنجا که محفظه احتراق توسط سوپاپ­ها از سیلندر جدا شده است، قطعات محرک به ویژه پیستون، نسبت به تنش های ناشی از دما و فشار بسیار بالا، در خطر نیستند. به کمک این سوپاپ­ها، از خودسوزی یا احتراق پیش­رس مخلوط سوخت و هوا، جلوگیری می­شود.

نسبت تراکم محفظه احتراق و گرمکن، متفاوت است. به نظر منطقی می­رسد که نسبت تراکم محفظه گرم­کن بیشتر از نسبت تراکم محفظه احتراق باشد تا مرحله برون­سوزی بخوبی صورت پذیرد. متناظراً نسبت تراکم کمتر در محفظه احتراق، بر چرخه درون­سوزی عمل می­کند. در این صورت، احتراق تمامی سوخت پاشیده شده در محفظه احتراق، تضمین می­شود زیرا به دلیل گرم شدن هوای درون محفظه احتراق، تمامی سوخت پاشیده شده، می­سوزد. علاوه بر این، دیواره­های سوزان محفظه نیز مشابه چندین شمع عمل می­کنند. همچنین، برای آسان روشن­شدن موتور در هوای سرد، درون محفظه احتراق یک شمع گرمکن کار گذاشته شده است.

  1. سوپاپ ورودی هوا
  2. سوپاپ محفظه گرمکن
  3. سوپاپ محفظه احتراق
  4. سوپاپ خروج هوا
  5. سیلندر
  6. محفظه احتراق
  7. محفظه گرمکن
  8. جداره محفظه احتراق
  9. سوخت پایین انژکتور
  10. شمع گرمکن

 

شکل 4: سر سیلندر موتور شش­زمانه

در مقایسه با موتور دیزل که به بدنه­ای سنگین نیاز دارد، این موتور چندگانه­سوز می­تواند از سوخت دیزل نیز استفاده کند. بنابراین، امکان ساختن مدل بسیار سبکتر در مقایسه با موتور بنزینی، وجود دارد.

پاشش و احتراق سوخت طی 360 درجه از دوران میل لنگ در محفظه احتراق بسته، اتفاق می­افتد. این خصوصیت باعث می­شود که زمان ایده­ال سوختن سوخت، افزایش یابد به­طوری که عمده انرژی پتانسیل شیمیایی سوخت، آزاد شود. به همین خاطر، اولین عامل آلودگی محیط زیست یا همان خام­سوزی، از بین می­رود. با استفاده از انژکتور معروف به SNDF، امکان پاشش دو سوخت از یک نازل وجود دارد.

دیواره‌های سوزان محفظه احتراق، باقیمانده سوختی را كه طی پاشش ته‌نشین شده است، می‌سوزاند. در نتیجه، دومین عامل كاهش آلایندگی یا همان هیدروكربن‌های نسوخته (HC) تحقق می‌یابد.

در مراحل تخلیه و مکش، سوپاپ­های محفظه احتراق و گرمکن، زمان استراحت بیشتری برای تعدیل دارند که باعث کاهش سرو صدا و بهبود بازده موتور می­شود. با توجه به روند تغییر طراحی در موتور شش­زمانه، جزئیات بیشتر در خصوص طراحی این موتور، در مقاله­های آتی همین ماهنامه ارائه خواهد شد.

 

شکل 5: شش مرحله عملکرد موتورهای شش­زمانه

 

عوامل موثر در افزایش بازده حرارتی و کاهش مصرف سوخت و آلایندگی

  1. با احاطه کردن محفظه احتراق توسط محفظه گرمکن، گرمای هدر رفته از سر سیلندر طی خنک­کاری موتورهای متداول، بازیافت می­شود.
  2. بعد از مکش، انرژی جنبشی هوا در محفظه گرمکن افزایش می­یابد و طی 720 درجه دوران میل­لنگ، متراکم می­شود. این در حالی است که محفظه در طول 360 درجه گردش میل­لنگ بسته است (برون­سوزی).
  3. تبادل گرمای دیواره­های بسیار نازک محفظه احتراق با محفظه گرمکن، دما و فشار گازهای منبسط شده و تخلیه شده از محفظه احتراق را متاثر می­سازد.
  4. احتراق و انبساط بهتر گازها طی 540 درجه گردش میل­لنگ در مرحله قدرت رخ می­دهد. در طول 360 درجه، محفظه احتراق بسته است و در طول 180 درجه، انبساط گازها صورت می­گیرد.
  5. دیواره­های سوزان محفظه احتراق اجازه می­دهند تا هر نوع سوخت و باقیمانده ته­نشین شده آن به بهترین شکل ممکن بسوزد.
  6. کورس کار، شامل دو انبساط طی شش کورس کاری است. در نتیجه، قدرت موتور شش­زمانه حدود 8 درصد نسبت به موتورهای چهار زمانه بیشتر است.
  7. سیلندر در کورس مکش، به علت دمای پایین دیواره سیلندر و سر سیلندر، بهتر پر می­شود.
  8. برخلاف موتورهای چهار­زمانه که در مدتی کوتاه، تخلیه و مکش را توام انجام می­دهد (وضعیت قیچی قیچی سوپاپ­ها)، در موتور شش­زمانه، مکش در کورس اول و تخلیه در کورس چهارم رخ می­دهد که سبب حذف تلاقی گازهای خروجی با مخلوط احتراق می­شود.
  9. تلفات قدرت در سیستم خنک­کاری کاهش می­یابد، به طوری که امکان دارد نیاز به خنک­کاری با آب نباشد و یا با پمپاژ آب و دمش فن رادیاتور کاهش یابد.
  10. سبک­بودن قطعات محرک، سبب اینرسی کمتر خواهد شد.
  11. با احتراق در محفظه بسته، حتی در هوای سرد فشار کمتری به روغن می­آید و رقیق شدن روغن اتفاق نمی­افتد.

از آنجا که موتورهای شش­زمانه، یک­سوم موتورهای چهار­زمانه تخلیه و مکش دارند، افت فشار روی پیستون در مکش و فشار منفی گازهای اگزوز در تخلیه به نسبت یک­سوم کاهش پیدا می­کند. تلفات اصطکاک با تقسیم بهتر فشار روی قطعات متحرک، تعدیل­شده و به همین دلیل قدرت طی دو مرحله، تولید شده و احتراق مستقیم نیز حذف می­شود.

 

مزایای موتورهای شش زمانه نسبت به موتورهای چهارزمانه

  1. حداقل 40 درصد کاهش مصرف سوخت

بازده کاری موتور شش­زمانه، تقریباً 50درصد است. بنابراین، در مقایسه با بازده 30 درصدی موتورهای بنزینی مصرف سوخت به شکلی ویژه کاهش می­یابد.

به رغم افزوده شدن قطعات در سر سیلندر به دلیل افزایش بازده حرارتی و داشتن دو مرحله قدرت در طول شش مرحله کاری موتور، توان ویژه این نوع موتور از موتور بنزینی چهار زمانه، کمتر نیست.

از آنجا که کورس کار در دو مرحله رخ می­دهد (360 درجه از 1080 درجه) گشتاور 8 درصد نسبت به موتور چهارزمانه (180 درجه از 720 درجه) بیشتر است. این امر باعث می­شود تا در سرعت پایین، موتور بدون تاثیر چشمگیر بر مصرف سوخت، به نرمی کار کند. در واقع، احتراق تحت تاثیر سرعت خودرو نخواهد بود. این مزیت بهبود عملکرد خودرو را در ترافیک به همراه دارد.

  1. چندگانه سوز بودن موتور

چندگانه­سوز بودن، برتری مهم دیگری است. موتور شش­زمانه، می­تواند با سوخت­های مختلف کار کند یعنی از سوخت های فسیلی و گیاهی گرفته تا LPG و روغن حیوانی. اختلاف در میزان اشتعال­پذیری یا ضد کوبشی سوخت، هیچ نقشی در احتراق ندارد.

ساختمان استاندارد یک موتور بنزینی و نسبت اندک تراکم محفظه احتراق موتورهای شش­زمانه، مانع استفاده از سوخت دیزل نمی­شود. همچنین سوخت گازول (در ایران متداول نیست) یا مخلوط بنزین و الکل (متانول) قابل استفاده است.

  1. کاهش چشمگیر آلاینده های خروجی از اگزوز

به ازای مصرف مخصوص سوخت کمتر، آلودگی صوتی، حرارتی و شیمیایی کاهش می­یابند و پر واضح است که این نوع موتورها، آلاینده های هیدروکربن، مونوکسید کربن و نیترات کمتری تولید می­کنند. از این گذشته قابلیت کار کرد این موتورها با سوخت­های گیاهی و گازهای کم­آلاینده، باعث می­شود تا سخت­ترین استانداردهای آلودگی نیز قابل دستیابی باشند.

  1. استفاده از سوخت مایع یا LPG

قیمت ارزان، آلایندگی کمتر LPG نسبت به بنزین و کاهش مصرف سوخت ویژه، استفاده از سیستم LPG را به صورت تکسوز، توجیه‌پذیر می­کند. بنابراین، به کمک یک موتور شش زمانه LPG سوز روی خودرو با مخزنی معادل مخزن یک خودروی معمولی بنزین­سوز، می توان مسافت بیشتری را طی کرد.

  1. قیمت قابل مقایسه این موتور نسبت به موتور چهارزمانه

موتور شش­زمانه، به هیچ تغییر اساسی نیاز ندارد. تکنولوژی و تجربه تخصصی و صنعتی کنونی کفایت می­کند. قیمت ساخت سر سیلندر (محفظه احتراق و محفظه گرمکن) با ساده­سازی چندین قطعه، تعدیل می شود. با سبک سازی قطعات متحرک، کاهش سیستم خنک کاری، کاهش اندازه مخزن و ساده­سازی پاشش مستقیم سوخت بدون استفاده از شمع (نظیر دیزل) و غیره... قیمت موتور کاهش قابل ملاحظه­ای می­یابد.

 

نتیجه­گیری

تاکنون راه­حلی قاطع برای جایگزینی موتورهای درون­سوز ارائه نشده است، مگر اینکه با ظهور تکنولوژی­های نوین و رو­به رشد در زمانی معقول و با رعایت ملاحظات مالی تحویل عظیم در طراحی موتور، اتفاق بیفتد. موتور شش­زمانه و پذیرش آنها در صنعت خودروسازی جهان، می­تواند تاثیری عظیم بر محیط زیست و اقتصاد جهانی بگذارد، زیرا موتوری است که 40درصد صرفه­جویی در مصرف سوخت و 60 تا 90 درصد (بستگی به نوع سوخت دارد) کاهش آلایندگی دارد.

  • پیش­بینی می­شود که مصرف سوخت برای خودروهای متوسط بین 4 تا 5 لیتر در 100 کیلومتر و برای خودروهای کوچک 3 تا 4 لیتر در 100 کیلومتر باشد.
  • خودروهای دارای موتور شش­زمانه را می­توان تا 3 یا 5 سال دیگر به صورت انبوه عرضه کرد.
  • قایق موتوری­ها (موتورهای درون و بیرون کشتی) می­توانند پیشنهاد بازار فروش بزرگی برای این موتورها باشند زیرا خواسته­های آنها کاملا با مزایای اقتصادی، ایمنی، ساده­سازی و کاهش آلودگی صوتی و شیمیایی این موتورها، مطابق است. از این گذشته، استفاده از سوخت­های دیگر غیر بنزین می­تواند، قویاً مد­نظر قرار گیرد.
  • استفاده از سوخت­های گیاهی (غیر فسیلی)، گازهای طبیعی و دیگر سوخت­ها به همراه کارکردن موتور با کمترین تنظیم و آلایندگی، می­تواند بهره­گیری از آنها را در انژکتورها، پمپ­های کشاورزی، موتورهای خودرو و قایق میسر سازد.

 

منابع:

1.http://www.bajulazsa.com

2.http://en.wikipedia.org

3.http://www.ducati.com/

4.http://www.sechstaktmotor.de/

نوشته شده در تاریخ پنجشنبه 30 آبان 1387    | توسط: Farzad Yosef-Lavi    |    |
نظرات()