پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
موتور درون سوز
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 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 می‌گذراد.
تاریخچه
اولین تجربه کارآ و قابل ذکر در زمینه ساخت موتوهای 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 موتوها 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.
· موتور چهارزمانه :
این موتورها در واقع همان موتورهایی هستند که توسط اتو اختراع شدند و وجه تسمیه آنها اینست که این موتورها برای هر انفجار (مرحله تبدیل انرژی سوخت به انرژی مکانیکی) می‌بایست چهار مرحله مکش ، تراکم ، انفجار و تخلیه را انجام دهند.
· موتورهای دوزمانه :
مخترعین هم عصر اتو اعتقاد داشتند که وجود تنها یک مرحله توان در دو دور چرخش موتور ، زیان بزرگی است. بنابراین توجه خود را به موتوری معطوف کردند که در هر دور چرخش دارای یک انفجار بود. این کار با ترکیب کردن مراحل انفجار و دم و بازدم به عنوان یک مرحله و ترکیب تخلیه و تراکم به عنوان مرحله بعدی صورت می‌گیرد.
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.
موتور اشتعال جرقه‌ای :
این موتورها ، برای سوزاندن ماده سوختنی از سیستم برقی تولید کننده جرقه استفاده می کنند.
· موتورهای دیزل :
این موتورها برای مشتعل کردن سوخت از حرارت بالای خود سیلندر استفاده می‌کنند.
طرز کار
نحوه کار موتورهای احتراق داخلی را به شکل خلاصه می‌توان انگونه بیان کرد.
· مکش :
مخلوط آزمایش‌های مربوط به هوا و سوخت (در موتورهای دیزل فقط هوا) به درون سیلندر مکیده می شود.
· تراکم :
مخلوط مذکور (هوای وارد شده در موتورهای دیزل) توسط پیستون فشرده می‌شود.
· توان :
مخلوط آزمایش‌های مربوط به هوا و سوخت محترق شده و انرژی آزاد می‌کند که باعث حرکت پیستون به سمت پایین می‌شود.
· تخلیه :
گازهای ناشی از احتراق از محفظه سیلندر تخلیه می‌شود.
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.
· سیلندر :
قسمت اصلی موتور است که محل بالا و پایین رفتن پیستون می‌باشد.
· سرسیلندر :
بر روی سیلندر قرار می‌گیرد و محل قرار گیری سوپاپ‌ها ، شمع‌ها و … می‌باشد.
· پیستون :
قطعه متحرکی است که در داخل سیلندر بالا و پایین می‌رود و به میل لنگ متصل است.
· میل لنگ :
تبدیل کننده حرکت رفت و برگشتی به حرکت چرخشی است.
· سیستم هوارسانی :
به ساختارهایی گفته می‌شوند که محفظه سیلندر را به هوای بیرون مربوط می‌کند.
· سیستم سوخت رسانی :
وظیفه رساندن و تنظیم میزان سوخت مصرفی را بر عهده دارد.
· سیستم خنک کننده :
وظیفه کنترل دمای کاری موتور را به عهده دارد.
· سیستم روغن کاری :
جهت کم کردن سایش و انتقال حرارت موتور به کار می‌رود.
· سیستم برقی :
جهت اشتعال سوخت و ایجاد جرقه کاربرد دارد. (موتورهای دیزل فاقد این سیستم می‌باشد)
· سیستم سوپاپ‌ها :
جهت زمان بندی ورود آزمایش‌های مربوط به هوا و خروج دود به کار می‌روند. (موتورهای دوزمانه فاقد این سیستم اند)
· سایر قطعات :
رینگ‌های پیستون ، میل بادامک ، چرخ لنگر یا فلاپویل ، یاتاقان‌ها ، کاورنر ، و وزنه‌های تعادل.
کاربردها
موتورهای احتراق داخلی امروزه گسترده‌ترین و پراستفاده‌ترین انواع موتورها می‌باشند. و بیشترین کاربرد این موتورها در اتومبیل‌ها ، کامیون‌ها و سایر وسایل نقلیه است. البته در کارهای ایستا نظیر پمپ کردن آب یا آسیابها هم از این موتورها استفاده می‌شود. شاید زمانی که برق منطقه‌ای قطع شده است مشاهده می‌کنید که یک مغازه یا کارخانه یا مجتمع مسکونی و … دارای برق است. این برق را با استفاده از انرژی جنبشی یک موتور احتراق داخلی و استفاده از یک ژنراتور تولید می‌کنند. و …
نقش موتورهای درون سوز در زندگی ما
طیف وسیع و گسترده‌ای از وسایل متحرک اطراف ما برای تامین حرکت خود به موتورهای احتراق داخلی وابسته‌اند. تصور کنید اگر تنها یک شبکه حمل و نقل (که 100 درصد به موتورهای احتراق داخلی وابسته است) از کار بیافتد زندگی روزمره به چه شکلی در خواهد آمد؟
سیر تاریخی تراکتور
ریشه لغوی
تراکتور به ماشین خودرویی اطلاق می‌شود که از قدرت آن برای کشیدن ادوات و ماشینهای کشاورزی قابل حرکت استفاده می‌شود. همچنین از این ماشین برای بکار انداختن ماشینهای ساکن در مزرعه استفاده می‌گردد. که در این موارد قدرت مورد نیاز از طریق محور تواندهی تراکتور تامین می‌گردد.
نگاه اجمالی
تراکتور مهمترین وسیله کمکی در زراعت مکانیزه محسوب می‌شود که از لحاظ سرعت و از لحاظ تحرک ، قدرت و حمل ادوات و ماشینهای مختلف بر حیوانات کشنده ارجعیت دارد و شرط اولیه تقلیل و تسهیل کار بدنی است. بطور کلی وظیفه تامین قدرت در مزرعه به علت سختی کارهای زراعی و نیز دراز مدت بودن آنها از عهده انسان و حیوان خارج است و در این زمینه تنها تراکتور است که باعث انجام کارهای کشاورزی در مقیاس گسترده می‌گردد.
تراکتور بر خلاف ماشینهای صنعتی ، یک ماشین متحرک است. که بوسیله انسان هدایت می‌گردد و در حین همین حرکت نیز کار انجام می‌دهد. معمول‌ترین انواع تراکتورها عبارتند از : تراکتور بخار که در آن یک موتور احتراق خارجی(موتور بخار) تولید قدرت می‌کند. و تراکتورهای احتراق داخلی که معمولا احتراق داخلی که معمولا با بنزین و یا گازوئیل کار می‌کنند.
تراکتور بخار
اختراع و توسعه موتور بخار یکصد سال قبل از اختراع موتور احتراق داخلی صورت گرفت (موتور بخار در سال 1769 میلادی توسط جیمز وات اختراع شد.) نتیجتا قدیمی‌ترین نوع شناخته‌شده تراکتورها از نوع بخار بوده‌اند. این تراکتورها برای اولین بار جهت بکارانداختن خرمنکوب‌ها در کشور آمریکا و در اواخر قرن نوزدهم مورد استفاده قرار گرفتند.
از خصوصیات خودرو بودن این تراکتورها عمدتا برای رفتن از یک خرمن به خرمن دیگر استفاده می‌گردید. و فقط جهت انجام کارهای ساکن از آنها استفاده می‌شد. بعدها با بوجود آمدن مزارع بزرگ گندم در غرب و شمال غربی ایالات متحده تراکتورهای بخار تا حدودی جایگزین قدرت حیوانات شدند. از قدرت تراکتورهای بخار در انجام کارهایی نظیر شخم‌زدن ، کشت بذر ، و برداشت محصول استفاده می‌شد.
تراکتور بخار برای انجام کار در مزرعه دارای محدودیت‌هایی مخصوص به خود بود. بدین ترتیب که این تراکتور خیلی سنگین بود و به کندی حرکت می‌کرد، سوخت آن پرحجم بود و با اشکال مورد استفاده قرار می‌گرفت. و اشکال تامین آب دیگ بخار و سوخت مورد نیاز باعث می‌شد تا به مواظبت و توجه مداومی نیاز داشته‌باشد. بطوری که یک نفر مراقبت از تامین سوخت و آب را بر عهده می‌گرفت و نفر دوم متوجه طرز کار تراکتور بود و هدایت آنرا بعهده داشت.
تراکتورهای بنزینی اولیه
بعضی از صاحبان کارخانجات که پیش‌بینی می‌کردند در آینده تقاضای بیشتری برای قدرت مکانیکی مناسب کار در مزرعه ، به خصوص در بخشهای گندم خیز وجود خواهد داشت. ساخت تراکتورهای بنزینی را حتی قبل از پایان قرن نوزدهم آغاز کردند. در سال 1892 م یک تراکتور بنزینی به بازار عرضه گردید. همچنین بر اساس گزارشات در سال 1897 م در داکوتای شمالی در کشور آمریکا از یک تراکتور بنزینی استفاده شد.
اما در سال 1902 م یک نمونه تراکتور بنزینی به نام تراکتور هارت-پار به بازار عرضه گردید. این ماشینهای سنگین پر زحمت جلودار صنعت تراکتور به شکل امروزی بوده‌اند. این روند رو به رشد پس از سال 1905 حرکت خود را با آهنگی بسیار سریع ادامه داد.
این تراکتورهای اولیه معمولا شامل یک موتور تک سیلندر بزرگ بنزینی بودند که روی یک شاسی سنگین سوار می‌شد و شاسی به نوبه خود روی چهار چرخ قرار می‌گرفت (شاسی در اینجا به معنی مکانیزم نگهدارنده سایر لوازم است). دو چرخ عقب بوسیله یکسری چرخدنده سنگین به میل‌لنگ موتور متصل شده و ماشین را خودرو می‌ساخت.
این تراکتورها مانند تراکتورهای بخار ، سنگین ، پرزحمت و قوی بودند و در حقیقت به نظر می‌رسید که صرفا به منظور جایگزینی تراکتورهای قبلی ساخته شده‌باشند. اما آنها دارای مزایایی نیز بودند. برای مثال جابجاکردن سوخت در آنها آسانتر بود، آب کتری را حمل می‌کردند و نیاز به توجه و صرف وقت کمتری در هنگام کار داشتند. بطوری که معمولا یک نفر به تنهایی قادر به کنترل بزرگترین نوع آنها بود.
تراکتورهای سبک
در حدود سال 1910 م طراحان توجه خود را به سمت امکان تولید تراکتور بنزینی کوچکتر که بتواند تقاضای زارعین غلات و دامداران را در تامین قدرت مکانیکی برآورده کند معطوف داشتند. نتیجتا در حدود سالهای 1913 م مقداری تراکتور در بازار دیده می‌شد. که نسبتا سبک‌وزن بوده ولی از لحاظ ساختمان و شکل ظاهری بسیار متفاوت بودند. در بیشتر موارد این تراکتورها به موتورهای دو و یا چهارسیلندر مجهز بودند.
تا سال 1915 م زارعین با تعداد گوناگونی از انواع مدل‌ها و اندازه‌ها حیرت انگیز تراکتور مواجه شدند. از تراکتورهای غول پیکر تک سیلندر یا دو سیلندر چهارچرخ گرفته تا یک اتصال تراکتوری برای اتومبیل‌های کوچک ، رقابت بسیار داغ شده‌بود و بسیاری از ماشینهای عجیب و غریب به فروش رسیدند که برخی از آنها با شکست مواجه شدند و برخی دیگر موفقیت آمیز بودند.
دوره تراکتورهای عجیب و غریب کوتاه بود. بطوری که تا سال 1917 بسیاری از آنها از بازار ناپدید شده و طراحان دور اندیش دریافتند که در طراحی تراکتور اساس و واجبات مشخصی وجود دارد که می‌بایست به آنها توجه کرد.
تحولات مهم
بعضی از نکات برجسته و مهم در توسعه و تکمیل تراکتور از سال 1915 به بعد عبارتند از :
· در فاصله سالهای 1915 تا 1919 میلادی
o محور تواندهی تراکتور معرفی شد.
o قانون آزمون تراکتور بزاسکا به تصویب رسید.
· در فاصله سالهای 1920 تا 1924 میلادی
o تراکتور همه کاره مزرعه با موفقیت زیادی توسعه پیدا کرد.
· در فاصله سالهای 1925 تا 1929 میلادی
o سیستم محور تواندهی به مرور مورد استفاده قرار گرفت و پذیرفته شد.
· در فاصله سالهای 1930 تا 1937 میلادی
o موتور دیزل در تراکتورهای بزرگتر مورد استفاده قرار گرفت.
o لاستیکهای بادی و تراکتورهای با سرعت بیشتر مرسوم گشتند.
o لوازم برقی ارایه و پذیرفته شدند.
o توجه به موتوهای با تراکم زیاد افزایش یافت.
· در فاصله سالهای 1937 تا 1941 میلادی
o محل نصب محور تواندهی و محل نصب مالبند به صورت استاندارد در آمد.
o سیستم خنک کننده تحت فشار مرسوم گشت.
o پرکردن لاستیک چرخها با آب برای اضافه کردن سنگینی تراکتور جهت بهبود کشش آن مرسوم شد.
o مالبند تراکتور و اتصال سه نقطه به بازار عرضه شد.
o سیستم‌های کنترل کشش هیدرولیکی اتوماتیک معرفی شدند.
· در فاصله سالهای 1941 تا 1949 میلادی
o سیستم تواندهی زنده معرفی شد.
o کنترل هیدرولیکی برای وسایل کششی مورد قبول قرار گرفت.
o تراکتورهایی عرضه شدند که با گاز مایع کار می‌کردند.
· در فاصله سالهای 1950 تا 1960 میلادی
o قدرت تراکتورها به سرعت افزایش یافت.
o درصد تراکتورهای دیزل افزایش یافت.
o دستگاههای جدیدی از قبیل فرمان هیدرولیکی ، دنده اتوماتیک و چرخدنده با دنده‌های سریعتر بطور وسیعی در دسترس قرار گرفت.
· در فاصله سالهای 1961 تا 1970 میلادی
o قدرت تراکتورها همچنان افزایش یافت.
o به غیر از تراکتورهای کوچک تقریبا همه تراکتورها به موتورهای دیزلی مجهز شدند.
o جعبه دنده‌های هیدرواستاتیک در دسترس قرار گرفت.
o لاستیکهای رادیال چند لایه تراکتوری در دسترس قرار گرفت.
· در فاصله سالهای 1970 – 1980 میلادی
o توربوشارژر و اینترکولر به موتورهای دیزل اضافه گشت.
o اغلب تراکتورها به اتاقک راننده مجهز شدند.
o توجه عموم به تراکتورهای چهارچرخ متحرک افزایش یافت.
o تراکتورهای با بیش از 800 اسب بخار قدرت رواج یافتند.
پس از این سالهای نیز تغییراتی نظیر استفاده از سیستم‌های اتوماتیک در هدایت تراکتورها و نیز تولید تراکتورهای کمرشکن و غیره انجام پذیرفته است. که در حال حاضر نیز در حال تکامل و توسعه هستند. لذا در آینده شاهد نمونه‌های غیر متعارف و جالبی از تراکتورهای خواهیم بود.