محفظه های احتراق موتور دیزل
مراحل احتراق سوخت در موتور دیزل با هندسه‌ای خاص طراحی می‌شود تا جلوگیری از افزایش ناگهانی فشار امکان‌پذیر شود. علاوه بر این، فرآیند شیمیایی احتراق باید به صورت کامل و با سرعتی مناسب انجام گیرد. به منظور دستیابی به این هدف، طرح‌های مختلفی برای اتاق احتراق موتور دیزل در نظر گرفته شده است. در این مقاله، قصد داریم محفظه‌های احتراق موتور دیزل را به دقت بررسی کنیم.
مفهوم محفظه‌احتراق در موتورهای احتراق داخلی چیست؟
محفظه‌احتراق به یک فضای محدود در داخل موتور احتراق داخلی اشاره دارد، جایی که عمل احتراق مخلوط هوا و سوخت رخ می‌دهد. در لحظه انجام احتراق، دما و حجم مخلوط افزایش می‌یابند و مقدار زیادی انرژی گرمایی آزاد می‌شود.
فشار بالا درون محفظه‌احتراق، باعث حرکت پیستون به سمت بالا و پایین می‌شود. بنابراین، محفظه‌احتراق به عنوان یک عنصر اساسی در ساختار موتور احتراق داخلی شناخته می‌شود. از این رو، طراحی دقیق محفظه‌احتراق تأثیر قابل توجهی بر عملکرد کلی و سایر پارامترهای موتور احتراق داخلی دارد.
وظایف محفظه های احتراق موتور دیزل
وظایف اساسی محفظه‌احتراق در یک موتور احتراق داخلی عبارتند از:
1) ایجاد فضای محدود برای انجام عمل احتراق مخلوط هوا و سوخت.
2) تعیین مکان ورود و خروج مخلوط از طریق قرار گرفتن سوپاپ‌های ورودی و خروجی در محفظه.
3) جایگاه پیستون را مشخص کرده و هدایت آن را انجام می‌دهد.
4) با بهره‌گیری از اصول هندسه، به احتراق بهینه کمک می‌کند.
5) در برابر دمای بالای احتراق، مقاومت ایجاد می‌کند.
6) جلوگیری از بیرون ریختن پسماند حاصل از عمل احتراق را فراهم می‌آورد.
انواع محفظه های احتراق موتور دیزل
در ادامه انواع محفظه‌ها و ویژگی‌ها و عملکرد هر یک را به صورت مفصل بررسی خواهیم کرد.
۱- موتور دیزل با اتاق احتراق باز یا تزریق مستقیم
۲- موتور دیزل با اتاق احتراق تقسیم شده یا تزریق غیر مستقیم موتور دیزل با اتاق احتراق باز، دارای یک محفظه احتراق کوچک است که در هنگام تراکم فشار نسبی بالا و دمای بالا، سوخت تزریق شده را به سرعت احتراق می‌کند. در این اتاق‌ها، هوا با چرخش زیاد از طریق مجراهای مارپیچی یا سوپاپ‌های لبه دار وارد شده و حرکت گرد بادی ایجاد می‌کند. موتور دیزل با اتاق احتراق باز یا تزریق مستقیم در موتورهای سنگین و صنعتی به وفور استفاده می‌شود و کیفیت احتراق در این روش از عوامل زیر تأثیر می‌گیرد:
– حرکت چرخشی هوا در زمان تراکم
– نحوه پاشیدن سوخت از نظر شکل، ذرات، و فشار
– اختلاط سوخت، هوا، و سرعت تبخیر سوخت
در موتور دیزل با تزریق مستقیم، سوخت به صورت پودری روی پیستون پاشانده می‌شود که حساسیت احتراق به نحوه پودر شدن بسیار شدید است. برای این منظور، از سوخت‌پاش‌هایی با قابلیت تزریق سوخت به صورت کاملاً پودری استفاده می‌شود. همچنین، به دلیل اهمیت حرکت چرخشی هوا برای سرعت اختلاط آن با سوخت، طراحی‌های متنوعی برای این منظور به کار می‌رود.
روش مان
روش مان، یک طراحی نوآورانه در دسته‌بندی اتاق احتراق باز است که از سال ۱۹۲۴ در آلمان برای موتورهای کوچک با سرعت نسبتاً زیاد مورد استفاده قرار گرفته است. این طرح تفاوت‌های بسیاری با سایر روش‌ها دارد، به عنوان مثال، سوخت به طور مستقیم و مماسی بر روی سطح کروی پیستون پاشیده می‌شود و بلافاصله پخش می‌شود.
در این طرح، تاخیر احتراق معمولی است و مصرف سوخت کم و بازده حرارتی نسبتاً زیاد است. سوخت به سطح کروی پیستون پاشیده شده و با استفاده از هوای چرخشی به وسیله سوپاپ لبه دار به موتور هدایت می‌شود.
موتور دیزل با اتاق احتراق تقسیم شده، یک نوع موتور است که محفظه احتراق آن به چند بخش تقسیم شده است و گلوگاه‌های محدودکننده بین هر بخش به وجود آمده است. این انتقال به این معناست که در هنگام احتراق، اختلاف فشار بین بخش‌ها ایجاد می‌شود.
در این طراحی، احتراق از محفظه فرعی یا قبلی شروع شده و به دلیل کوچک بودن محفظه اولیه با سرعت زیاد از گلوگاه به محفظه اصلی بر روی پیستون دمیده می‌شود. موتور دیزل با محفظه احتراق تقسیم شده در موتورهای کوچک با دور زیاد استفاده می‌شود.
ویژگی‌های منحصر به فرد این اتاق‌ها به این صورت است:
- افزایش سرعت چرخشی هوا در زمان تراکم به دلیل وجود گلوگاه بین محفظه‌های احتراق.
- انجام سریع مراحل اول و دوم احتراق که باعث افزایش شدید فشار احتراق می‌شود.
- اختلاط سوخت و هوا در دو مرحله.
- احتراق مقدماتی و ناقص، که سوخت چند درجه قبل از نقطه مرگ بالا به محفظه قبلی تزریق شده و عمل احتراق آغاز می‌شود. این اقدام به دلیل ابعاد کوچک محفظه قبلی، باعث افزایش سریع فشار به حدود ۱۰۰۰ psi یا ۷۰ اتمسفر می‌شود.
- با افزایش فشار در محفظه اولیه، سوخت ناقص با گازها با سرعت زیاد از گلوگاه وارد محفظه اصلی می‌شود. به دلیل سرعت بالای هوای چرخشی، عملیات شیمیایی احتراق به سرعت تکمیل می‌شود.
- به دلیل گرم بودن قسمتی از محفظه اولیه، تاخیر احتراق به سرعت کاهش می‌یابد. قطعات استفاده شده از فولاد سخت و مقاوم در برابر حرارت و ضد زنگ ساخته شده‌اند. در نتیجه، قسمت داخلی محفظه اولیه گرم مانده، سرعت شروع احتراق را افزایش می‌دهد.
- در شروع کار، به دلیل سرد بودن دیواره محفظه اولیه، موتور به راحتی روشن نمی‌شود. با استفاده از طرح شمع گرم‌کن، این مشکل برطرف می‌شود. شمع گرم‌کن در زمان استارت زدن به مدت کوتاهی روشن می‌شود و موضع سرخی را در مقابل مسیر پاشیده شدن ایجاد می‌کند، که باعث روشن شدن سریع موتور می‌شود.
انواع محفظه احتراق تقسیم شده یا غیر مستقیم
الف) موتور با محفظه احتراق قبلی: در این نوع موتور، در زمان تراکم، بخشی از هوا از گلوگاه وارد محفظه اولیه می‌شود. قبل از اتمام فرآیند تراکم، سوخت در محفظه اولیه تزریق می‌شود، اما به دلیل مقدار کمی هوا، امکان مخلوط شدن کامل با اکسیژن وجود ندارد.
در نتیجه، بخشی از سوخت‌های اولیه که با دیواره داغ برخورد کرده، اکسیژن را کسب کرده و سوخت می‌سوزد. با توجه به اندکی بودن محفظه اولیه، فشار در آن افزایش یافته و محتوای محفظه با سرعت زیاد از گلوگاه کوچک وارد محفظه اصلی می‌شود، که باعث اختلاط سریع و احتراق کامل تمام ذرات سوخت می‌شود.
معایب:
- به دلیل بزرگی ساختمان محفظه‌ها، میزان انرژی مبادله‌شده زیاد است که باعث کاهش بازده حرارتی و افزایش مصرف سوخت می‌شود.
- در زمان کار، به دلیل فشار هوا به محفظه اولیه، قدرت موثر محدود می‌شود.
- نسبت تراکم موتور باید بسیار بیشتر از تزریق مستقیم باشد تا فشار مورد نیاز در انتهای فرآیند تراکم ایجاد شود.
- در ابتدای کار، به دلیل گرم نبودن محفظه اولیه، حرارت اشتعال کافی نیست و نیاز به گرم‌کن دارد.
ب) موتور با محفظه احتراق گرد بادی: محفظه احتراق گرد بادی به منظور حل مشکلات مرتبط با روش تزریق مستقیم و موتور با محفظه قبلی طراحی و ساخته شده است. این محفظه می‌تواند در سرسیلندر یا بلوک سیلندر قرار گیرد. در زمان تراکم هوا، محفظه گردبادی به سمت محفظه کروی چرخیده و با افزایش حرکت پیستون به سرعت چرخش آن افزوده می‌شود. قبل از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا، سوخت در هوای متلاطم تزریق شده و عملیات اختلاط و تبخیر به سرعت کامل می‌شود، سپس اشتعال سوخت آغاز می‌شود.
تفاوت این بخش با محفظه احتراق قبلی عبارت است از:
- سرعت اشتعال بیشتر.
- شروع تزریق با تأخیر بیشتر؛ به این معنا که اوانس کمتری لازم است و موتور با محفظه ذخیره هوا در این طرح، هنگام تراکم، مانند دو روش قبلی، در محفظه کوچک ذخیره هوا نفوذ می‌کند. این انفجار هوا کمی قبل از نقطه مرگ بالا رخ می‌دهد و انژکتور سوخت را به دیواره داغ پاشانده و سایر عملیات، مشابه اتاق احتراق قبلی، تکمیل می‌شود.
موتور با محفظه مرکب، همچون موتورهای پرکینز، ترکیبی از دو روش گردبادی و تزریق مستقیم میباشد. قسمت سرسیلندر قابل جداشدن است و ویژگی منحصر به فرد این موتور، پاشیده شدن سوخت به دو شکل در دو جهت مختلف است؛ یکی در محفظه گردبادی و دیگری بر روی پیستون.
به همین دلیل، این موتور از مزایای هر دو روش بهره‌مند است؛ از یک سو کارآیی آرام و اختلاط کامل از روش گردبادی و از سوی دیگر، روش تزریق مستقیم که به معنای روشن شدن سریع موتور است. سرعت این موتور به ۳۰۰۰ دور در دقیقه یا بیشتر ارتقا یافته و بیشترین گشتاور آن در ۲۵۰۰ دور در دقیقه به‌دست آمده است.
این موتور از مزایای بسیاری برخوردار است، از جمله قابلیت استفاده در موتورهای سواری به دلیل سرعت بالا. ویژگی دیگر این موتور، حفظ گشتاور متوازن بین ۸۰۰ تا ۲۵۰۰ دور در دقیقه است و حداکثر فشار موتور کمتر از ۳۵ اتمسفر میباشد.
جمع بندی
در این مطلب درباره الکتروشایلی و ویژگی‌های منحصر به فرد آن در موتورهای دیزل صحبت کردیم. الکتروشایلی، یک نوع محفظه احتراق است که ترکیبی از روش‌های گردبادی و تزریق مستقیم را در خود جای داده است. این محفظه اجازه پاشش سوخت به دو شکل مختلف، یکی در محفظه گردبادی و دیگری روی پیستون را می‌دهد، که باعث ارتقاء کارایی و کاهش زمان روشن شدن موتور می‌شود.
سرعت بالای این موتور و حفظ گشتاور متوازن در دورهای مختلف، از ویژگی‌های برجسته الکتروشایلی است که آن را به یک گزینه مطلوب در موتورهای سواری تبدیل کرده است.
