موتور یا پیشرانه احتراقی چیست و هرآنچه درباره آن باید بدانید

نمونه‌ی اولیه از تبدیل حرکت دورانی به رفت و برگشتی، (برعکس موتورهای رفت و برگشتی)، در چوب‌‌بُری‌های روم باستان (بین سده‌های ۳ تا ۶) انجام گرفته‌ است. در این سامانه، یک میله‌ی رابط، حرکت چرخشی چرخ آب‌گرد را به حرکت خطی ارّه تبدیل می‌کرد. نمونه‌ی دیگری که از افتخارات ایرانیان و مسلمانان و قوم کُرد است، پمپ پیستونی رفت و برگشتی، ساخته شده توسط بدیع‌ الزمان جزری است.

یکی از اختراعات بدیع‌ الزمان جزری که توضیح آن در لینک بالا آمده است

موتور رفت و برگشتی، در سده ۱۸، ابتدا به صورت ماشین حرارتی نیوکامن (موتور بخار جوی) و سپس به صورت موتور بخار در اروپا ساخته شد. سپس موتور استرلینگ و موتور احتراق داخلی در سده ۱۹ ابداع شدند. امروزه رایج‌ترین نوع موتورهای رفت و برگشتی، موتورهای احتراق داخلی هستند که با استفاده از انرژی ناشی از احتراق سوخت‌های بنزین، گازوئیل، گاز ال‌پی‌جی یا سی‌ان‌جی و اتانول، وسایل نقلیه را به حرکت درمی‌آورند.

موتور رفت و برگشتی (Reciprocating Engine) یا موتور پیستونی (Piston engine)

یک ماشین گرمایی است که با استفاده از یک یا چند پیستون، که حرکت رفت و برگشتی انجام می‌دهند، فشار را به حرکت دورانی تبدیل می‌کند. انواع اصلی موتورهای رفت و برگشتی شامل موتورهای احتراق داخلی (درون‌سوز)، موتور بخار و موتور استرلینگ می‌شوند.

پیشرانه‌های درون‌سوز یا احتراق داخلی

موتور درون‌سوز، یک وسیلهٔ گردنده است که در خودروها، هواگردها، قایق موتوری، موتورسیکلت‌ها و صنایع کاربرد دارد. بدون موتورهای درون‌سوز، اختراع و ساخت هواپیماها ممکن نبود. تا پیش از پرواز نخستین هواپیمای جت در سال ۱۹۳۹، پیشرانه‌ تمام هواپیماها، موتورهای احتراق داخلی پیستونی بود. در ادامه به معرفی و تشریح انواع پیشرانه درون‌سوز پرداخته شده است.

پیشرانه‌های احتراق داخلی پیستونی

موتور‌های احتراق داخلی پیستونی چند مدل رایج دارند.

آرایش خطی (۲، ۳، ۴، ۵ و ۶ سیلندر) : سیلندرها به صورت عمودی و در یک راستا قرار گرفته‌اند. این نوع از پیشرانه‌ها رایج‌ترین نمونه‌ی موجود در دنیای خودروسازی است.

آرایش W شکل: مشابه با پیشرانه‌های خورجینی، نمونه‌های W شکل از سه ردیف (بانک) سیلندر بهره می‌برد که در زاویه‌ی خاصی با یکدیگر قرار دارند و تمام آن‌ها به یک میل‌لنگ متصل شده‌اند. اولین نمونه از این پیشرانه‌ها در سال ۱۹۰۶ با سه سیلندر در موتورسیکلت آنزانی به کار گرفته شد. با این حال پیشرانه‌های W شکل حال حاضر دنیای خودروسازی شباهت زیادی به حرف W ندارند. نام‌دارترین شرکت تولیدکننده‌ی پیشرانه‌های W شکل، فولکس‌واگن آلمان است که از دو بلوک سیلندر V شکل برای تولید این پیشرانه‌های بهره می‌برد. نمونه‌ی W16 به کار رفته در بوگاتی ویرون و شیرون مطرح‌ترین پیشرانه‌های W شکل دنیای خودروسازی هستند.

پیشرانه‌های W شکل ابتدایی

پیشرانه W شکل مدرن که از اتصال دو پیشرانه V شکل ایجاد شده است

آرایش تخت یا باکسر : همان V شکل است با این تفاوت که زاویه قرارگیری بین سیلندرها به ۱۸۰ درجه رسیده است. مخترع این آرایش از موتورها، فردیناند پورشه، مخترع شهیر آلمانی است و هم اکنون هم بیشترین استفاده از آن‌ها را شرکت خودروسازی پورشه دارد.

موتورهای چرخان : در این آرایش، میل‌لنگ در وسط قرار گرفته و محفظه‌های سیلندر حول آن و روی یک دایره‌ی فرضی با مرکز میل‌لنگ قرار می‌گیرند. با این تفاوت که در این حالت، سرسیلندر هر سیلندر مجزا است. موتورهای چرخان در هواپیماهای کوچک ملخی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اجزای اصلی یک موتور احتراق داخلی پیستونی

بلوک سیلندر

سرسیلندر

پیستون‌ها

شاتون‌ها

میل‌لنگ

میل‌بادامک

سوپاپ‌ها

تسمه یا زنجیر تایم

پیشرانه‌های احتراق داخلی پیستونی با توجه به سیکل کاری خود به چندین دسته تقسیم می‌شوند:

پیشرانه درون‌سوز اتو

پدر تمام موتورهای احتراق داخلی را می‌توان نیکلاس آگوست اتو دانست که در سال ۱۸۷۶ اولین نمونه از موتورهای احتراق داخلی را اختراع کرد. بر اساس گفته این مهندس آلمانی، مکانیزم این موتور درون سوز از روی دستگاه بخار جیمز وات الهام گرفته شده بود. پیشرانه طراحی شده توسط آگوست اتو قادر بود چهار مرحله مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را به صورت مداوم انجام دهد. البته آن زمان موتورهای احتراق داخلی هنوز مناسب خودروها نبودند، زیرا با افزایش میزان سوخت فرم احتراق‌ها به انفجار تغییر می‌کرد و خیلی سریع موتور دچار سوختگی می‌شد.

پیشرانه‌های درون‌سوز اتو از سیکل ترمودینامیک چهارزمانه‌ی اتو پیروی می‌کنند. این سیکل از دو فرآیند فشار ثابت و دو فرآیند آیزنتروپیک تشکیل شده است. مراحل چرخه‌ی چهارزمانه سیکل اتو عبارت است از:

مکش

تراکم

توان

تخلیه

پیشرانه دیزل

پیشرانه‌های دیزل، یک موتور درون‌سوز پیستونی است که بدون کمک شمع و عملیات جرقه‌زنی، سوخت را محترق می‌کند. روش موتور دیزل برای احتراق، تراکم مخلوط سوخت و هوا تا حد انفجار است.

ضریب تراکم موتورهای دیزل بیش از ۱.۵ برابر موتور درون سوز پیستونی بنزین سوز رایج در خودروها است. به دلیل این که بنزین در تراکم کمتری به مرحله‌ی انفجار می‌رسد، در موتورهای دیزل از سوخت گازوئیل استفاده می‌شود. از مزایای موتورهای دیزل می‌توان به تولید گشتاور بیشتری نسبت به مدل‌های مشابه بنزین سوز و ارائه‌ی آن در دور موتور پایین‌تری اشاره کرد. موتور دیزل در باقی مشخصات با موتورهای درون سوز پیستونی بنزین سوز کاملا منطبق است.

موتور دو زمانه

فرایند موتورهای دو زمانه از دو مرحله‌ی بالا و پایین برای انتقال توان تشکیل شده است. از آنجا که هیچ مرحله‌ای برای ورود سوخت و خروج دود وجود ندارد، از روش دیگری به جای این مراحل باید استفاده کرد.

رایج‌ترین روش در موتورهای دو زمانه با شمع شامل استفاده از حرکت رو به پایین پیستون برای متراکم کردن سوخت و هوای ورودی و در ادامه انفجار آن با ایجاد جرقه است. این موتورها کاملا سبک و از نظر مکانیکی ساده هستند. از موتورهای دو مرحله‌ای غالبا در برف‌روب‌ها، ماشین‌های چمن‌زنی، چوب‌برها، اره‌های برقی، جت اسکی‌ها و برخی موتورسیکلت‌ها استفاده می‌شود.

متاسفانه این موتورها نسبت به نوع چهار زمانه سر و صدای بیشتر، بازده کمتر و آلودگی بیشتری دارند و در مقیاس بزرگ خوب کار نمی‌کنند. البته دقت کنید، موتورهای احتراق تراکمی بزرگ در گذشته عموما دو زمانه بودند که در برخی لوکوموتیوها و کشتی‌های بزرگ به کار می‌رفتند. در این موتورها از مکش برای تخلیه‌ی موتور استفاده می‌شود.

یکی از دلایل کم‌بازده بودن این سیستم‌ها این است که مقداری از سوخت مصرف نشده ممکن است با سوخت مصرف شده خارج شود. به علاوه بدون فرایند خاصی برای خارج کردن دود، آلودگی زیادی منتشر می‌شود. به همین دلیل استفاده از مبد‌ل‌های کاتالیستی کاملا ضروری به نظر می‌رسد.

موتور چهار زمانه

متداول ترین چرخه‌ی احتراق در موتورهاست. این موتورها از چرخه‌ی اتو پیروی می‌کنند. 

یک موتور درون سوز پیستونی که با سیکل احتراق چهار زمانه و پیروی از چرخه‌ی اتو کار می‌کند

موتور شش زمانه

موتور شش زمانه (Six-stroke engine) یکی از انواع موتور درون سوز پیستونی است، که بر اساس ساختار موتورهای چهار زمانه ساخته شده‌است. اما با این تفاوت که دارای چند ویژگی بیشتر است که باعث افزایش کارایی موتور و کاهش گازهای گلخانه‌ای می‌شود. از سال ۱۹۸۰، دو نوع از موتورهای شش زمانه رو به توسعه گذاشتند. 

نخستین مدل موتور شش زمانه، یک موتور تک پیستون دارای دو محفظه گرم کن و احتراق است، که به ازای هر پیستون چهار سوپاپ دارد. نحوه‌ی کار آن به گونه‌ای است که حرارت ایجاد شده در محفظه احتراق ( که از چرخه چهارگانه‌ی چرخه‌ی اتو ایجاد می‌شود) به محفظه‌ی گرم‌کن که با هم در تماس‌اند، منتقل می شود. و این تماس به نوعی مانع از دوریز حرارت می‌گردد. این مدل تقریبا شبیه موتور چهار زمانه است. ولی علاوه بر ایجاد نیرو از احتراق سوخت، از از انبساط هوای محبوس در گرمکن نیز برای تولید نیرو استفاده می‌کند.لازم به ذکر است که همین هوای منبسط شده دوباره با سوخت ترکیب شده و احتراق یافته تا نیرو تولید کند. پیستون در این نوع موتور شش زمانه، به ازای هر تزریق سوخت سه بار بالا و پایین می‌رود.در این موتور، دو مولد نیرو وجود دارد:

سوخت

هوا یا دود

دومین مدل، پیستون مقابل نام دارد که شامل دو پیستون رو به روی هم است. می‌توان گفت این مدل به گونه ای ترکیبی از موتور چهار زمانه و موتور دوزمانه است. ولی بر خلاف مدل قبلی چون دو پیستون دارد و در هر چرخه، ۶ فرایند انجام می‌دهد در واقع وجود دو پیستون موجب ایجاد سامانه بدون سوپاپ شده است.

از مزیت‌های این سیکل می‌توان به: راندمان بالاتر ، ۳۰ درصد کاهش مصرف سوخت، ایجاد صدا کمتر، کاهش گازهای گلخانه‌ای و قدرت بیشتر نسبت به حجم موتور یکسان اشاره کرد.

پیشرانه‌ی اتکینسون

جیمز اتکینسون (James Atkinson) یک مهندس بریتانیایی بود که همانند بسیاری از مخترعان، کارآفرینان، و فلزکاران قرن نوزدهم،  در پی راه‌هایی برای بهبود عملکرد چرخه‌ی پیشرانه احتراق اتوی چهار زمانه بر آمده بود. این پیشرانه برای اولین بار در سال۱۸۷۶ ساخته شده است. پیشرانه‌ای که او در سال ۱۸۸۲ به ثبت رساند، دارای  طول‌های حرکت پیستون (stroke length) متغیری بود و این تغییرات توسط یک شاتون (میل رابط) چند اتصالی میان پیستون و فلای‌ویل (چرخ لنگر) فراهم می‌شد.

در حالی که پیشرانه‌های اتکینسون موفق نبودند، ولی چرخه‌ی ترمودینامیکی او هنوز هم به طور گسترده استفاده می‌شود. کاربرد این پیشرانه‌ها به طور عمده در پیشرانه‌های نوع هیبریدی بنزینی‌ الکتریکی است. مزیت کلیدی این چرخه نسبت به اتو، حصول بهره‌وری بالاتر نسبت به یک پیشرانه اتو است، البته این امر با اندکی افت در توان خروجی در سرعت‌های پایین همراه است. چرخه‌ی اتکینسون برای پیشرانه‌های هیبریدی بسیار ایده‌آل است، زیرا موتور الکتریکی به کار بسته شده روی آن‌ها می‌تواند کاهش مربوط به خروجی را در سرعت پایین جبران کند.

چرخه‌ی اتکینسون بسته شدن سوپاپ ورودی را مادامی که پیستون ۲۰ تا ۳۰ درصد از مسیر به سمت بالایش را در مرحله‌ی تراکم طی کند، به تاخیر می‌اندازد. به عنوان یک نتیجه، مقداری از سوخت تازه، توسط پیستونی که در حال بالا آمدن است، دوباره به منیفولد ورودی هدایت می‌شود تا به این ترتیب، سیلندر هرگز به طور کامل پر نشود که همین موضوع نیز همانطور که اشاره کردیم، کاهش توان خروجی را در سرعت‌های پایین در پی دارد. نتیجه‌ی نهایی بعد از احتراق به دست می‌آید؛ زمانی که پیستون شروع به پایین آمدن در مرحله‌ی انبساط می‌کند. این مرحله‌ را مرحله‌ی قدرت نیز می‌نامند. چنین روندی در واقع با تفکر اصلی اتکینسون سازگار است. مکش کوتاه‌تر همراه با یک حرکت انبساطی در تمام طول ممکن، باعث می‌شود تا بیشترین کار ممکن را به ازای هر بار افزوده شدن سوخت به دست آوریم.

در تصاویر زیر چهار مرحله‌ی اصلی که در هر پیشرانه پیستونی متداول رخ می‌دهد و به نام‌های مکش (intake)، تراکم (compression)، تولید توان (power) و تخلیه (exhaust) را می‌بینیم. همچنین نسبت تراکم و نسبت انبساط برای چرخه‌ی نرمال و چرخه‌ی اتکینسون با هم مقایسه شده است. این دو نسبت بیان‌گر نسبت فضای مابین پیستون و سیلندر در حالت کمترین و بیشترین مقدار حجم حاصل از حرکت رفت و برگشت پیستون هستند. برای مرحله‌ی مکش و تخلیه تفاوت خاصی وجود ندارد اما در مرحله‌ی انبساط شاهد تفاوت در مقدار نسبت انبساط هستیم.

در اکثر پیشرانه‌ها، نسبت تراکم تا هر جایی که بتواند پیشرانه را در دستیابی به قدرت و کارایی و همچنین اجتناب از انفجار به یک برایند کلی برساند، در میزان بالایی تنظیم می‌شود. نسبت تراکم و انبساط در یک پیشرانه اتوی معمولی با هم برابر هستند. دلیل برتری اتکینسون در بهره‌وری به این دلیل است که نسبت انبساط آن به طور قابل توجهی بزرگ‌تر از نسبت تراکمش است.

پیشرانه‌های دوار بدون پیستون

پیشرانه‌های دوار بدون پیستون با هدف حذف مکانیزم چرخ‌و‌لنگ، توسعه یافتند. معروف‌ترین آن‌ها، پیشرانه‌ی وانکل است که به دلیل معروفیت و رواج به یک دسته‌ی جدا بدل شده است.

پیشرانه درون‌سوز وانکل

اجزای موتور وانکل

روتور

روتور قطعه مثلثی شکل، دارای سه صفحه محدب است که هر یک در حکم یک پیستون عمل می‌کند. درهر یک ازصفحه‌های روتور فرورفتگی وجود دارد که حجم موتور را افزایش می‌دهد و باعث افزایش مخلوط بنزین و هوای ورودی به موتور می‌شود. در انتهای هر صفحه، تیغه‌ای فلزی برای آب بندی بیرون و محفظه‌ی احتراق وجود دارد. همچنین حلقه‌هایی فولادی برای آب بندی کناره‌ی محفظه‌ی احتراق و بیرون کار گذاشته شده‌است. روتور دارای مجموعه‌ای از چرخ‌دنده چیده شده در وسط پهلو است. دندانه‌های این چرخ‌دنده با دندانه‌های چرخ‌دنده‌ای جفت می‌شود که به بدنه بسته شده‌است. این جفت شدگی چرخ‌دنده‌ها مسیر و جهت حرکت روتور را در محفظه تعیین می‌کند.

محفظه

محور خروجی

مزیت ها:

معایب:

اگر چه در دو بعد درزگیری بین روتور و اتاقک، بسیار ساده‌تر از یک موتور پیستونی متناظر به نظر می رسد. ولی در بررسی سه بعدی، عکس این موضوع حاکم است. همان‌طور که نوک روتور می‌بایست کاملا بر روی منحنی اتاقک حرکت کند، روتور نیز می‌بایست کناره های اتاقک را درز گیری کند. رینگ‌های پیستون هر کدام دارای یک شکاف است که به ان اجازه‌ی انبساط می‌دهد و لذا درزگیری کامل میسر نیست.

موتور شبه توربین

پیشرانه‌های شبه توربین در سال ۱۹۹۶ برای اولین بار به ثبت رسیدند که هدف از تولید آن‌ها بهبود عملکرد و کاهش میزان خروجی گازهای آلاینده بود. موتور شبه توربین خیلی شبیه موتور دورانی است، یک روتور درون بدنه‌ی تقریبا بیضی شکل می‌چرخد. موتور شبه توربین برخلاف نمونه‌ی دورانی یا وانکل، روتور چهار جزیی دارد. گوشه‌های روتور با بدنه به خوبی آب‌بندی شده‌اند و نیز گوشه‌های روتور نسبت به بخش داخلی آب‌بندی‌اند. بدین ترتیب چهار محفظه برای احتراق در دسترس خواهد بود.

نمونه‌ی پیشرفته‌تر این دسته از موتورها، پیشرانه‌ی شبه‌ توربین کالسکه‌ای نام دارد. به دلیل ساختار کالسکه‌ای این پیشرانه‌ها، مهندسان امکان افزایش زیاد فشار محفظه‌ی احتراق را دارند. بدین ترتیب امکان استفاده از انفجار نوری نیز در این دسته از پیشرانه‌ها وجود دارد. اما انفجار نوری به چه معنا است؟

احتراق در پیشرانه‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شود. در نوع اول سوخت و هوا پیش از ورود به محفظه‌ی احتراق مخلوط شده و سپس درون محفظه با کمک شمع، مشتعل می‌شود. اما در نوع دوم سوخت به صورت مستقیم پس از ورود هوا تزریق می‌شود (ساز و کار اکثر پیشرانه‌های خودروهای امروزی). در نوع سوم مخلوط سوخت و هوا در محفظه‌ی احتراق با یکدیگر مخلوط می‌شوند و با افزایش فشار و در نتیجه‌ دمای محفظه، اشتعال صورت می‌گیرد (ساز و کار پیشرانه‌های دیزل). اما در نوع چهارم، خصوصیات پیشرانه‌های بنزینی و دیزلی با یکدیگر ترکیب شده و سوخت و هوا پیش از ورود به محفظه‌ی احتراق، به خوبی با یکدیگر مخلوط می‌شوند که ترکیب همگنی را ایجاد کنند. در ادامه و پس از ورود این مخلوط به محفظه‌ی احتراق، با افزایش فشار اشتعال به صورت خودکار انجام می‌شود که به این روش، انفجار نوری (Photo-Detonation) گفته می‌شود.

مزایای پیشرانه‌های شبه توربین عبارت هستند از:

لرزش ناچیز به دلیل بالانس بودن موتور

شتاب بیشتر بدون وجود چرخ طیار

گشتاور بیشتر در دور موتور پایین‌تر

تقریبا بدون نیاز به روغن کاری

سر و صدای کمتر

انعطاف پذیری کامل در جهت قرارگیری موتور، حتی به صورت واژگون

قطعات متحرک کمتر و در نتیجه استهلاک کمتر

هنوز زمان زیادی از معرفی و توسعه‌ی پیشرانه‌های شبه‌توربین (در مقایسه با عمر ۱۲۰ ساله‌ی پیشرانه‌های پیستونی) نگذشته است. به همین دلیل انتظار نمی‌رود این دسته از پیشرانه‌ها را به زودی در طیف گسترده‌ای از خودروها یافت.

موتورهای احتراق پیوسته

در حالی که پیشرانه‌های احتراق داخلی ذکر شده تا انجای مقاله، در چرخه‌ی کاری خود به صورت متناوب به احتراق سوخت می‌پردازند، دسته‌ی دیگری از پیشرانه‌ها نیز وجود دارد که عمل احتراق به صورت منظم و پیوسته در آن‌ها صورت می‌گیرد. این پیشرانه‌ها را انواع احتراق پیوسته نام‌گذاری می‌کنند که موتورهای راکت و انواع موتور جت و توربین گازی از مطرح‌ترین نمونه‌های آن‌ها هستند که در ادامه به تشریح هر یک پرداخته خواهد شد.

توربین گازی

توربین گاز، (Gas Turbine)، یک موتور درون‌سوز از نوع ماشین‌های دوار یا چرخشی است که بر اساس انرژی گازهای ناشی از  کار می‌کند. هر توربین گاز شامل یک کمپرسور برای فشرده کردن هوا، یک محفظه‌ی احتراق برای مخلوط کردن هوا با سوخت و محترق‌ کردن آن و یک توربین برای تبدیل انرژی درونی گازهای داغ و فشرده به انرژی مکانیکی است.

توربین گازی کلاس E ساخت شرکت توربین مپنا (توگا)

توربین گاز سری H شرکت جنرال الکتریک، این توربین 480 مگاواتی در چیدمان سیکل ترکیبی، بازده حرارتی ۶۰٪ دارد

بخشی از انرژی مکانیکی تولید شده در توربین، صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین شده و باقی انرژی تولیدی، بسته به کاربرد توربین گاز، ممکن است مولد الکتریکی را بچرخاند (توربوژنراتور)، به هوا سرعت دهد (توربوجت و توربوفن) یا مستقیما (یا بعد از تغییر سرعت چرخش توسط گیربکس) به همان صورت مصرف شود (توربوشفت، توربوپراپ و توربوفن). توربین‌های گازی انواع و مدل‌های مختلفی دارند که معرفی و تشریح آن‌ها در حوصله‌ی این مطلب نمی‌گنجد. ولی نکته‌ی حائز اهمیت در مورد توربین‌های گازی این است که توربین گاز سری H، پیشرفته‌ترین و پیچیده‌ترین توربین گازی در دنیا است؛ که در حال حاضر شرکت مپنا در حال طراحی و ساخت این مدل توربین است و هم اکنون از مرحله‌ی کانسپت گذشته و در حال تجاری سازی است.

موتور جت

موتورجت یا موتور شارشی نوعی موتور دوار است که از شتاب دادن و تخلیه شاره برای ایجاد پیش‌رانش برپایه قانون سوم نیوتن استفاده می‌کند.

با این تعریف گسترده موتورهائی مانند توربوجت و توربوفن و رم‌جت و موتور موشک، گونه‌ای موتور جت به‌شمار می‌روند؛ ولی معمولاً منظور از موتور جت، توربینی است که با بیرون‌دادن گاز داغ، نیروی پیشران تولید می‌کند.

اجزای اصلی موتور جت عبارتند از:

کمپرسور

سیستم احتراق

توربین

سیستم خروج گازهای داغ 

ایروسنتر( Aerocenter) : موتوری است که با خارج کردن سیال از اگزوز به سمت عقب، کار می‌کند و با استفاده از واکنش آن، وسیله نقلیه را به جلو می‌راند. این ساده‌ترین تعریفی است که می‌توان موتور جت داشت. موتورهای جت و موتورهای موشک به این نحو کار می‌کنند که یعنی هر دو موتورهای واکنشی به حساب می‌آیند، با این تفاوت که موتور موشک‌ها، تمام خوراک خود را درون خود حمل می‌کنند و می‌توانند در محیط خلا نیز فعال باشند ولی موتورهای جت فقط در اتمسفر کار می‌کنند.

اصول پایه‌ی کارکرد این نوع موتورها تقریبا ساده است. هوا از طریق یک مجرای ورودی به بخش کمپرسور وارد شده و متراکم می‌شود، سپس هوای متراکم وارد محفظه‌ی احتراق شده و با اضافه شدن سوخت مشتعل می‌شود. گرمای ناشی از احتراق مخلوط سوخت و هوا، باعث منبسط شدن و جریان یافتن آن به سمت انتهای موتور می‌گردد، این جریان منبسط شونده از میان پره‌های توربینی عبور می‌کند که از طریق یک شفت به کمپرسور متصل شده‌اند. هوای منبسط شده، توربین را به گردش در می‌آورد که در نتیجه باعث به حرکت درآمدن کمپرسور می‌شود.

موتور توربوجت

موتورهای توربو جت، بیشتر بر نیروی تولیدی از گازهای خروجی اتکا دارند. در موتورهای توربوجت، ابتدا، هوا وارد کمپرسور شده و متراکم می‌گردد. اما چون این هوا با سرعت نسبتاً زیادی وارد موتور گردیده برای احتراق مناسب نمی‌باشد و بیشتر سوخت مصرف شده، بدون اشتعال هدر می‌رود. به همین دلیل هوا به قسمت دیفیوزر یا همان کاهنده سرعت فرستاده می‌شود تا از سرعت آن کاسته شود. در دیفیوزر، ابتدا از سرعت هوا کاسته و بر دما و فشار آن افزوده می‌شود. سپس این هوای آماده برای احتراق، به اتاقک احتراق فرستاده می‌شود. در اتاقک احتراق یا Combustion Chamber، هوا ابتدا وارد لوله احتراق گشته، با سوخت مخلوط شده، و سپس محترق می‌گردد. قسمتی از نیروی حاصله از این احتراق صرف گرداندن توربین شده و مابقی برای تولید نیروی رانش به کار می‌رود. گاهی در هواپیماهای توربوجت، بعد از شیپوره خروجی یا نازل، قسمتی به نام پس سوز یا After Burner قرار می‌دهند که بر نیروی تراست می‌افزاید.

موتور ملی توربوجت اوج که بر روی جنگنده‌ی کوثر سوار شده است

موتور توربوجت از پنج قسمت اصلی تشکیل شده است :

ورودی یا مدخل

کمپرسور یا متراکم کننده

محفظه احتراق

توربین

نازل یا خروجی

اولین هواپیما مجهز به موتور جت و توربوجت، HE-178 ساخت آلمانی‌ها بود. همچنین خطوط مسافربری با هواپیما جت، با بکارگیری هواپیما بوئینگ 707 و دی. سی. هشت ساخت مگ دانل داگلاس، آغاز بکار کردند.

ورودی یا مدخل

این قسمت اولین بخش است که هوای ورودی به موتور از آن می‌گذرد. این بخش یک مجرای همگرا یا واگرا است و وظیفه‌ی آن کاهش سرعت و یکنواخت کردن جریان هوای ورودی به موتور است. اگر سرعت هوای ورودی به کمپرسور زیاد باشد، سرعت هوا در نوک پره‌های آن به سرعت صوت می‌رسد و برای گردش کمپرسور نیروی زیادی صرف خواهد شد. اگر سرعت هوای ورودی زیر صوت بود، این مدخل واگرا خواهد بود. اگر سرعت بالای سرعت صوت بود (ما فوق صوت) باشد، این مجرا همگرا خواهد بود. زیرا رفتار جریان ما فوق صوت و زیر صوت بر عکس هم است. در یک جریان مافوق صوت هوا در عبور از یک مجرای همگرا سرعتش کم می‌شود و در سرعت‌های زیر صوت بر عکس؛ بنابراین مدخل هواپیماهای زیر صوت واگرا است تا سرعت را کاهش دهد و کمکی نیز برای کمپرسور باشد.

کمپرسور یا متراکم کننده

هوا بعد از مدخل وارد کمپرسور می‌شود. وظیفه کمپرسور فشرده کردن هوا است. کمپرسورها به دو گروه اصلی تفسیم می‌شوند:

کمپرسورهای گریز از مرکز

کمپرسورهای جریان محور

محفظه احتراق

هوای فشرده به سمت محفظه‌ی احتراق رانده شده و بعد از تزریق سوخت توسط سوخت پاش‌ها (انژکتورها)، به دمای بین 800 تا 1200 درجه‌ی سانتیگراد می‌رسد. این بخش را با آلیاژی مقاوم در برابر دمای (دمای حاصل از احتراق) و فشار بالا می‌پوشانند.

توربین

قدرت و توان مورد نیاز برای گردش کمپرسور توسط توربین تامین می‌شود. شکل توربین شبیه به کمپرسور است اما با این تفاوت که به کمپرسور کار داده می‌شود تا هوا را فشرده کند ولی در توربین از جریان گازهای گرم عبوری کار گرفته می‌شود. به مجموعه کمپرسور، توربین و محور رابط (محور انتقال دهنده نیرو جهت گردش، از توربین به کمپرسور) اسپول می‌گویند. هر موتور توربوجت دارای یک اسپول می‌باشد اما بعضی از موتورها، دارای دو یا چند اسپول می‌باشند.

نازل یا خروجی

محل خروج گازهای عبوری از توربین است. در نهایت این نازل است که نیروی پیشرانه موتور توربوجت را تولید می‌کند.

پیشرانه‌های بیرون‌سوز یا احتراق خارجی

در پیشرانه‌های برون‌سوز یا احتراق خارجی، سیال عامل توسط انرژی حاصل از احتراق یک سیال دیگر گرم شده و کار لازم طی چرخه‌ی ترمودینامیکی توسط این سیال عامل انجام می‌شود. انتقال انرژی بین سیال عامل و سیال خارجی توسط مبدل حرارتی انجام می‌شوند. از مطرح‌ترین این دسته از پیشرانه‌ها می‌توان به مانند موتور بخار، توربین بخار و موتور استرلینگ اشاره کرد.

موتور بخار

«موتور بخار» (steam engine) نوعی موتور گرمایی است که از بخار به عنوان «سیال عملیاتی» (working fluid) برای تولید کار مکانیکی استفاده می‌‌کند. البته انواع باستانی این فناوری به صورت عملی قابل استفاده نبودند؛ با این حال آخرین نسخه‌هایی که از موتور بخار، طی انقلاب صنعتی طراحی و تولید شد، به مهم‌ترین منبع تولید انرژی مکانیکی تبدیل گشت. موتور بخار به عنوان موتور اصلی پمپ‌ها و لکوموتیوها، کشتی‌های بخار و تراکتور استفاده می‌شد و دلیل اصلی انقلاب صنعتی بود. توربین‌های بخار گونه‌ای از موتور بخار هستند که همچنان به صورت گسترده به عنوان ژنراتور الکتریسیته مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما نمونه‌های قدیمی تر موتور بخار، تقریبا به طور کامل با موتورهای درون‌سوز و موتورهای الکتریکی جایگزین شده‌اند.

پیشینه‌ی موتور بخار طولانی است و به دو هزار سال پیش برمی‌گردد. اولین موتور بخار مقرون به صرفه از نظر اقتصادی، تا سال 1712 ظهور نکرد. تا این که بالاخره، با کمک اختراعات ساوری و «دنیس پایین» (Denis Papin)، موتور اتمسفری توسط «توماس نیوکامن» (Thomas Newcomen) راه را برای انقلاب صنعتی هموار کرد.

موتور نیوکامن بازده نسبتا بالایی داشت و عموما برای پمپ کردن آب مورد استفاده قرار می‌گرفت. برای نمونه در معادن برای کشیدن آب جمع شده در چاه‌ها از این موتور استفاده می‌شد؛ کاری که تا آن زمان ممکن نبود. از این موتور بخار همچنین برای پمپ‌ کردن آب به منظور گرداندن چرخ‌های آبی، در کارخانه‌هایی دور از یک منبع آب با ارتفاع بالا استفاده می‌شد.

قدم بعدی هنگامی برداشته شد که «جیمز وات» (James Watt) نوع پیشرفته‌ی موتور نیوکومن را طراحی کرد و ساخت. موتور وات به میزان 75 درصد در مصرف زغال‌سنگ نسبت به نوع قبلی خود صرفه‌جویی داشت. وات موتور بخار خود را توسعه داد تا به فناوری حرکت گردان یا چرخشی مناسب برای استفاده در کارخانه‌ها تبدیل گردد. این فناوری به صنعت اجازه داد تا جایی غیر از کنار رودخانه‌ها بنا شوند و سرعت انقلاب صنعتی را افزایش داد.

گرما از سوخت در حال احتراق دریافت می‌گردد. این گرما در یک دیگ بخار با فشار بالا به آب انتقال پیدا می‌کند و منجر به تولید بخار اشباع می‌شود. این بخار دمایی مساوی با آب در حال جوش دارد. این دما نیز به فشار بخار داخل دیگ وابسته است. برای فهم بهتر تصور کنید که آب در ارتفاعات بالاتر با فشار کمتر، در دمای پایین‌تری می‌جوشد.

بخار در این مرحله بازهم گرم می‌شود تا به حالت «فوق داغ» (super heat vapor) یا بخار خشک تبدیل گردد. این مرحله، انرژی سیال عملیاتی را بالا می‌برد و منجر به عملکرد بهتر موتور یا توربین می‌شود. بخار تولید شده وارد موتور می‌شود و پیستون را هل می‌دهد. حرکت پیستون نوعی از انرژی مکانیکی است که گاهی به حرکت دورانی تبدیل می‌گردد. بخار کم‌فشار و سرد استفاده شده در موتور به هوا تخلیه می‌شود. البته دانستن این نکته ضروری است که در توربین‌های مدرن این بخار مجددا میعان و به چرخه برمی‌گردد.

یکی از خوبی‌های موتور بخار این است که هر نوع سوختی را برای منبع حرارتی می‌توان در قسمت جوشش به منظور تولید بخار استفاده کرد. ولی به طور معمول، منبع حرارتی با سوختن سوخت‌هایی همچون چوب و زغال، زغال‌سنگ، گاز طبیعی یا سوخت و گرمای تولیدی در رآکتور هسته‌ای ایجاد می‌شود.

موتور بخار نوع جت

مهندس استرالیایی «آلن برنز» (Alan Burns) برای اولین بار موتور بخار «نوع جت» (Jet type) را اختراع کرد. این موتورهای زیرآبی از فشار بخار بالا برای مکش آب از جلو و سپس خروج پرفشار آن از عقب استفاده می‌کند. هنگامی که بخار پرفشار وارد آب و میعان می‌شود، با ایجاد یک موج منجر به خروج سریع آب از عقب می‌گردد. با هدف افزایش بازده، موتور از یک ورودی مقداری هوا نیز به داخل می‌مکد که منجر به تولید حباب‌های هوا و تغییر مکانیسم اختلاط بخار با آب می‌گردد.برخلاف دیگر موتورهای بخار ممولی، هیچ قطعه‌ی متحرکی در این نوع تجهیز وجود ندارد و آب خروجی تنها کمی گرم‌تر از آب ورودی است. چنین موتوری را به عنوان پمپ یا همزن نیز می‌توان مورد استفاده قرار داد.

پیشرانه‌های استرلینگ

موتور استرلینگ موتورهای گرما -کاری هستند که حرارت را تبدیل به جنبش می‌کنند و نسبت به موتور بنزینی و دیزلی کارایی بیشتری دارند. در چنین موتورهایی هیچ احتراقی صورت نمی‌گیرد و هیچ صدایی انفجاری شنیده هم نمی‌شود و هیچ اگزوزی وجود ندارد. موتورهای استرلینگ از چرخه استرلینگ استفاده می‌کند که شبیه چرخه‌های استفاده شده در موتورهای احتراق داخلی نیست. گاز استفاده شده در داخل موتورهای استیرلینگ هیچ وقت موتور را ترک نمی‌کند و مانند موتورهای دیزل و بنزینی سوپاپ دود که گازهای پرفشار را تخلیه می‌کند و محفظه احتراق وجود ندارد. به همین علت موتورهای استیرلینگ بسیار بی صدا هستند و به همین دلیل از این موتورها در موارد خاصی مثل زیر دریایی یا قایق خصوصی استفاده می‌کنند.

چرخه استیرلینگ از یک منبع حراتی خارجی که می‌تواند هر چیزی از بنزین و انرژی خورشیدی تا حرارت ناشی از پوسیدگی گیاهان باشد استفاده کند و هیچ احتراقی داخل سیلندرهای موتور رخ نمی‌دهد.

چرخه استرلینگ

قاعده اصلی کار موتور استرلینگ بر مبنای تغییر فاز مقداری گاز محفوظ شده داخل موتور، است. چرخه استرلینگ شامل یک سری رویداد است که فشار گاز داخل موتور را تغییر می‌دهد و سبب ایجاد کار می‌شود. خواص مهمی در گاز محبوس شده در موتور وجود دارد که برای عملکرد موتورهای استرلینگ مهم است:

۱- اگر  مقداری گاز محبوس در یک حجم ثابت از فضا داشته باشید و شما به آن گاز حرارت بدهید، فشار گاز افزایش خواهد یافت.

۲- اگر مقداری گاز محبوس داشته باشید و آن را فشرده کنید (حجم آن را در فضا کاهش دهید)، دمای آن گاز افزایش خواهد یافت.

سیکل استرلینگ چهار مرحله دارد:

حرارت به گاز داخل سیلندر گرم منتقل شده و سبب ایجاد فشار می‌شود. این فشار پیستون را مجبور می‌کند تا به سمت چپ حرکت کند. این قسمت از سیکل است که کار انجام می‌دهد.

هنگامی که پیستون راست (گرم) به طرف چپ حرکت می‌کند، پیستون چپ بالا می‌آید. این جابجایی گاز داغ را به داخل سیلندر می راند که به سرعت، گاز داخل منبع سرد (چپ) را گرم می‌کند و فشار گاز گرم کاهش می‌یابد. این عمل فشرده کردن گاز را در قسمت بعدی سیکل ساده‌تر می‌کند.

پیستون داخل سیلندر سرد (چپ) شروع به فشرده کردن گاز می‌کند و گرمای تولید شده توسط این متراکم سازی، به وسیله منبع سرد حذف می‌شود.

هنگامی که پیستون سرد (چپ) پایین می‌رود، پیستون گرم (سمت راست) به راست می‌رود. این عمل گاز را به داخل سیلندر گرم می‌راند که به سرعت گرم شده و فشار ایجاد می‌کند. در این هنگام سیکل تکرار می‌شود.

 این موتور در سه مدل طبقه بندی می‌شوند :

۱- موتورهای نوع آلفا: موتور‌های نوع آلفا دارای دو سیلندر مجزا، برای فضاهای تراکم و انبساط بوده، و در هر سیلندر یک پیستون دارند. دو سیلندر به واسطه‌ی گرم کن، بازیاب و خنک کن به هم متصل شده‌اند.

۲- موتورهای نوع بتا: قدیمی‌ترین ساختمان موتورهای استرلینگ می‌باشد. اختراع رابرت استرلینگ به عنوان اولین موتور استرلینگ دارای ساختمان بتا بوده است. موتورهای نوع بتا از ترکیب پیستون قدرت و جابجا کننده استفاده می کنند. ساختمان موتور به این گونه است که هر دو پیستون در یک سیلندر به طور خطی قرار گرفته‌اند.

۳- موتورهای نوع گاما: موتور استرلینگ نوع گاما همانند موتور نوع بتا دارای ترکیب پیستون و جابجاکننده است. در این نوع موتور، پیستون و جابجا کننده در دو سیلندر مجزا قرار دارند. موتور استرلینگ گاما نسبت به نمونه‌های آلفا و بتا، دارای نسبت تراکم کمتری می‌باشد. اما به دلیل این‌که تنها پیستون قدرت نیاز به آب‌بندی دارد و همچنین سیلندرها مجزا هستند، از لحاظ مکانیکی ساده ترین آرایش را در میان سایر چیدمان1دارد.

چرا موتورهای استرلینگ متداول نیستند؟

دو ویژگی وجود دارد که ساخت موتورهای استرلینگ را برای استفاده در بسیاری از کاربردها غیر عملی می‌کند. (موتور قبل از اینکه کار مفیدی ایجاد کند به مقداری زمان نیاز دارد که گرم شود. موتور، نیروی خروجی را به سرعت نمی‌تواند تغییر دهد)

این موتورها علی‌رغم مزایای ویژه‌ای که نسبت به موتور های احتراغ داخلی دارند، از یک عیب عمده رنج می‌رند که به خاطر نحوه انتقال انرژی گرمایی، توان مورد نیاز را با تاخیر تامین می‌کنند.

آینده‌

آن‌چه روشن است، این است که حداقل تا ۱۰ تا ۱۵ سال آینده، استفاده از انواع موتورهای رایج امروزی که موضوع مقاله‌ی ما بود، با همین گستردگی و میزان نفوذ ادامه خواهد داشت و جایگزینی آن‌ها با تکنولوژی انقلابی کاملا جدیدی ( که بیاید و دوباره دنیا را متحول کند ) تقریبا غیر قابل وقوع است.

اما اتقاقی که ما را به آینده امیدوار می‌کند، تکنولوژی خودروهای هیبریدی در آینده‌ی نزدیک و تکنولوژی خودروهای الکتریکی در افقی دورتر است. این دو فناوری مادر، می‌توانند بستر را برای عملی‌سازی اختراعات قدیمی که به دلیل محدودهایی که الان در سیستم موتورهای رایج وجود دارد، آماده کند و همچنین زمینه ساز اختراعات جدیدی شود.

با سپاس از زمانی که برای مطالعه‌ی این مقاله‌ی جامع صرف کردید؛ به امید این که در ساخت آینده‌ای بهتر برای تمام بشریت، ما نیز سهیم باشیم. نظر خود را در رابطه با پیشرانه‌های احتراق داخلی با ما در میان بگذارید.