سیر تاریخی موتور
برای دریافت فایل به صورت پاور پوینت روی لینک زیرکلیک کنید
http://www.4shared.com/file/c5BOWM9N/Diesel_Motor.html
لغوی:
این عبارت مرکب است از دو کلمه موتور به معنای بوجود آورنده قدرت و حرارت که بیان کننده نحوه تأمین این قدرت است که با استفاده از حرارت دادن سوخت ایجاد می‌شود.
دید کلی
بشر برای انجام کارهای روزمره و تأمین رفاه و آسایش خود از منابع قدرت مختلفی در زندگی خود استفاده میکند. این منابع قدرت که برای انجام کارهای مختلف مور استفاده قرار می گیرند عبارتند از :
• قدرت انسان: انسان برای انجام بسیاری از کارهای سبک از توانایی بدن خود استفاده میکند.
• حیوانات اهلی: استفاده از حیوانات در کارهایی مثل بارکشی و زراعت از اوایل تمدن بشری تا به حال رواج دارد.
• قدرت باد: از قدرت باد جهت حرکت برخی قایقها و یا آسیابهای بادی و یا تولید برق می‌توان استفاده کرد.
• قدرت آب: در مزارع آسیابهای آبی قدیمی وجود داشته است لیکن کاربرد قدرت آب امروزه به شکل تولید برق است.
• قدرت برق: برق منبع قدرتی است که به آسانی در دسترس قرار می‌گیرد. و به منظور ایجاد حرارت ، روشنایی و به کار انداختن دستگاههای مختلف می‌توان از آن استفاده کرد.
موتورهای اولیه
بشر از سالهای دور در فکر ساختن موتورهایی بوده است که با حرارت کار می‌کنند. لیکن در این زمینه تا قبل از قرن هفدهم هیچ نتیجه‌ای بدست نیامد. در سال 1678 میلادی یک فرانسوی به نام» آب ژان اوت فوی« پیشنهاد کرد که برای ایجاد قدرت از یک پودر قابل انفجار استفاده شود. گفته می‌شود که اوت فوی اولین کسی بوده است که موتوری را طراحی کرد که در آن از حرارت به عنوان یک نیروی جنبشی که قادر به تولید کاربرد ، استفاده گردیده است. پس از اوت فوی ، کریستیان هوگنز اولین کسی بود که اعتبار ساختن یک موتور حرارتی را کسب کرد. این موتور که در آن از یک پودر قابل انفجار به عنوان سوخت استفاده میشد. در سال 1680 میلادی در مقابل وزیر دارایی فرانسه به نمایش گذاشته شد.
موتور بخار
هیچ کدام از تلاشهای اولیه موفق واقع نشد و کوششهای بیشتر در ساختن یک موتور حرارتی تا مدتی حدود یکصد سال راکد ماند. تا آنکه دو قرن هیجدهم میلادی امکانات استفاده از بخار آب برای تولید قدرت و تشخیص و توسعه داده شد. اولین توسعه موفقیت آمیز موتورهای بخار در سال 1769 میلادی صورت گرفت. در این تاریخ بود که جیمزوات توانست یک موتور بخار قابل استفاده را به ثبت برساند.
تاریخچه:
در حدود سال 1800 میلادی فکر پژوهشگران به طرف ساخت موتورهای احتراق داخلی معطوف گردید. در طول سالهای 1800 تا 1860 میلادی تعدادی موتور ساخته شد که در حقیقت هیچکدام از آنها بطور واقعی موفقیت آمیز نبود اما گام‌های موثری نیز طی این سالها برداشته شد. مثل استفاده از تراکم در سیکل موتور و اصلاح سیستم اشتعال سوخت توسط بارنت در سال 1838 م و تولید یک موتور احتراق داخلی در مقیاس تجارتی توسط ژان ژوزف لنوآر در سال 1860.
بودوروشا
شاید بتوان گفت که اولین اقدام مهم برای توسعه موتورهای احتراق داخلی بوسیله یک مهندس فرانسوی به نام بودوروشا انجام گرفت. وی در سال 1862 م نظریه طرز کار موتور احتراق داخلی را بدست آورد که تمامی موتورهای احتراق داخلی امروزی نیز بر این اساس ساخته می‌شوند. او برای آنکه انجام کار احتراق توسط موتور به خوبی انجام شود. چهار مرحله را پیشنهاد کرده بود که باعث بازدهی بالای موتور می‌باشد.
اتو و کلارک
مهندس بودوروشا موفق به ساخت یک موتور بر اساس نظریاتش نشد. اما این نظریات به عنوان موارد لزوم پذیرفته شد. گرچه تلاشهای چشمگیری در سالهای بعد در ساخت یک موتور انجام پذیرفت اما تا سال 1876 که دکتر کلاآگوست آتو اهل آلمان اولین موتوری را که بر اساس اصل بودوروشا کار می‌کرد با موفقیت ساخت. به دنبال اختراع موتورهای چهارزمانه توسط آتو اختراع اولین موتور دوزمانه از سال 1878 میلادی بوسیله دوگالد کلارک انگلیسی به ساخت رسید. در این موتور یک زمان قدرت در هر دور گردش میل لنگ به جای هر دو دور گردش آن وجود دارد این موتور تا سال 1881 م به بازار عرضه نشد.
موتورهای حرارتی: این موتورها با سوزاندن مواد سوختی تولید قدرت می‌کنند و اصول کلی کار این موتورها بر اساس تشدید حرکت مولکولها به دلیل حرارت است.
حتما این را می‌دانید که مواد هنگامی که در معرض حرارت قرار می‌گیرند. حرکت مولکولهایشان سریعتر می‌گردد، البته این حرکت در گازها به شکل جابجایی مولکولها و در جامدات به شکل ارتعاش مولکولها در سر جایشان است. موتورهای حرارتی هم از این قاعده استفاده می‌کنند. لیکن در همه موتورهای حرارتی یک گاز باعث انتقال حرارت و انرژی می‌گردد.
بدین شکل که در موتورهای حرارتی یک قطعه متحرک به نام پیستون وجود دارد که در یک محفظه بسته به نام سیلندر حرکت رفت و برگشتی دارد. عامل این حرکت یک گاز است که یا در داخل خود سیلندر گرم می‌شود و یا خارج از محفظه سیلندر گرم شده و پس از گرم شدن به داخل سیلندر فرستاده می شود. این گاز داغ باعث حرکت پیستون می‌شود. انرژی این حرکت بوسیله مولکولهای پرانرژی گاز داغ تامین می‌شود.
چرخه عملكرد اين نوع موتور ها در نوع بنزيني مطابق با نمودار زير است :
ب الف
ت پ
A→B : در اين مرحله با احتراق مخلوط سوخت و هوا ماده كاري گرم مي شود .
B→C : ماده كا ري بصورت بي دررو انبساط مي يا بد .
C→D : ماده كاري در يك فرآيند حجم ثابت دما از دست مي دهد .
D→A : ماده كار ي بصورت بي دررو متراكم مي شود.
بدين ترتيب در فر آيند A→B ماده كار ي (مخلوط سوخت و هوا ) گرما ي QH حاصل از احتراق را در يافت مي كند و در فر آيند C→D با باز شدن سو پاپ دود گر ما از دست مي دهد .
چرخه حاضر را چرخه اتو مي نا مند .
چرخه كارنو :
آقاي كارنو ماشيني را بطور فرضي ساخت كه در ان از دو تحول دما ثابت و دو تحول بي دررو استفاده مي شد .مطابق شكل زير ا و ثابت كرد كه :
اگر چنين ماشيني ساخته شود ، آنگاه مي توان بيشترين بازده را بدست آورد. رابطه بازده او بدين شرح است :
كار در چرخه كارنو از رابطه زير بدست ميآيد :
انواع موتورهای حرارتی
موتورهای حرارتی خود به دو دسته کلی احتراق داخلی و احتراق خارجی تقسیم می‌شوند.
• موتورهای احتراق خارجی: در این موتورها که عموما موتورهای بخار نامیده می‌شوند. از بخار آب به عنوان عامل محرک پیستون استفاده می‌شود. وجه تسمیه آن نیز بدین دلیل است که بخار داغ به علت محترق شدن ماده سوختنی در خارج از سیلندر موتور ایجاد می‌شود و توسط یک لوله به محفظه سیلندر منتقل می‌گردد.
• موتورهای احتراق داخلی: این موتورها خود به دو دسته کلی موتورهای اشتعال جرقه‌ای و دیزل تقسیم می‌شوند و وجه تسمیه آنها اینست که ماده سوختنی در داخل محفظه سیلندر محترق می‌گردد.
موتورهای اشتعال جرقه‌ای: در این موتورها پس از ورود مخلوط سوخت و هوا به داخل سیلندر از یک جرقه برای شعله‌ور ساختن آن استفاده می‌شود.
موتورهای دیزل: در این موتورها برای محترق ساختن سوخت از حرارت ایجاد شده بواسطه تراکم هوا استفاده می‌شود.
طرز کار
همانگونه که از نام این موتورها بر می‌آید با استفاده از حرکت ، تولید قدرت می کنند هرچند که این موتورها برای تولید حرارت ممکن است از سوختهای مختلف ، نظیر زغال سنگ ، نفت ، بنزین ، گازوئیل و یا گاز طبیعی استفاده کنند. اما در همه آنها انرژی آزاد شده بواسطه سوختن این مواد باعث حرکت پیستون و تولید قدرت می‌گردد. در موتورهای بخار ابتدا آب را در یک مخزن که بوسیله مواد سوختنی حرارت داده می‌شود به جوش می‌آورند، سپس این بخارهای حاصله از جوشیدن آب بوسیله یک لوله به محفظه سیلندر و بالاتر از پیستون انتقال داده می‌شوند. انرژی جنبشی مولکولهای بخار آب باعث حرکت پیستون به سمت پایین می‌شود پس از رسیدن به پایین سیلندر یک وزنه تعادل و یا میل لنگ باعث برگشتن پیستون به نقطه بالای سیلندر می‌شود و این چرخه ادامه پیدا میکند.
در موتورهای احتراق داخلی ماده سوختنی را در داخل محفظه سیلندر محترق می‌کنند. این احتراق آنقدر سریع اتفاق می‌افتد که حالت انفجاری دارد. انرژی آزاد شده در این انفجار باعث اعمال نیرو روی پیستون و حرکت دادن آن می‌شود این حرکت پیستون (در موتورهای تک سیلندر) یا پیستونها (در موتورهای چند سیلندر) بوسیله میل‌لنگ به حرکت چرخشی تبدیل می‌شود. که برای انجام کار مفید مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ساختمان موتورهای حرارتی
ساختار کلی موتورهای حرارتی مشابه است. لیکن بنابر نحوه سوزاندن ماده سوختنی و یا نوع آن یکسری متعلقات آنها با یکدیگر تفاوت میکند. ساختمان کلی این موتورها متشکل است از یک سیستم برای تغذیه و کاربوراسیون سوخت یک سیستم به منظور خنک کاری موتور ، سیستم روغنکاری موتوری ، سیستم تنظیم ورود و خروج گازها یا سیستم سوپاپها ، سیستم مشتعل کننده و سوخت و قطعات ساختمانی موتور.
قطعات موتورهای حرارتی
• سیلندر موتور: سیلندر به عنوان بدنه و ستون فقرات موتور است، تمامی قطعات را در وضعیت معین خود نگه می‌دارد و محفظه بسته‌ای را جهت حرکت پیستون و ورود و خروج گازها را فراهم می‌آورد.
• پیستون: عامل انتقال انرژی آزاد شده از مولکولهای ماده سوختنی است.
• میل لنگ : باعث تبدیل حرکت رفت و برگشتی پیستون یا پیستونها به حرکت چرخشی می‌شود.
• مانیتولدها : مجاری ورود هوا و یا خروج گازهای ناشی از احتراق هستند.
• سرسیلندر : محل قرار گیری برخی متعلقات مانند سوپاپها و نیز پوشاننده محفظه سیلندرها و متعلقات آنهاست.
• چرخ لنگر یا فلایویل : یکنواختی سرعت میل‌لنگ و انتقال توان از وظایف چرخ لنگر است.
• میل بادامک : کار زمانبندی سوپاپها را انجام میدهد.
کاربرد
کاربرد موتورهای حرارتی در تمامی جنبه‌های زندگی نمایان است که عمده آن استفاده در اتومبیلها ، کشتیها و سایر وسایل حمل و نقل است، همچنین در تولید برق و کارهای دیگر مثل پمپاژ آب می‌توان از آنها استفاده کرد.
موتور دیزل
یکی از تلاشهای قابل توجه در توسعه انواع مختلف موتورهای احتراق داخلی کار دکتر ردولف دیزل یک مهندس آلمانی بود. که ایده استفاده از گرمای حاصل از تراکم زیاد جهت اشتعال سوخت درون سیلندر را مورد بررسی قرار داد. اولین نمونه موتور دیزل در سال 1898 میلادی با موفقیت ساخته شد که در طول 40 سال پس از آن گام‌های سریعی در توسعه و استفاده از اصول دیزل در موتورهای احتراق داخلی برداشته شد.
ریشه لغوی
کلمه دیزل نام یک مخترع آلمانی به نام دکتر رودلف دیزل است که در سال 1892 نوع خاصی از موتورهای احتراق داخلی را به ثبت رساند، به احترام این مخترع اینگونه موتورها را موتورهای دیزل می‌نامند.
رودولف دیزل: تمبر یادبود دیزل
رودولف دیزل در سال 1858 در فرانسه متولد شد و کار خود را به عنوان یک کارشناس یخچال برقی آغاز کرد. برای مدت ده سال او روی موتورهای حرارتی مختلفی، از جمله موتور هوا با نیروی خورشیدی کار کرد. ایده‌های دیزل برای یک موتور وقتی احتراق در سیلندر رخ میدهد در سال 1893 منتشر شد، یک سال بعد از آن که برای اولین حق امتیازش درخواست داده بود، امتیاز 608845 را برای موتور دیزلی دریافت کرد. موتورهای دیزلی امروزی، نسخه‌های تصحیح شده و بهبود یافته از مفاهیم اصلی رودولف دیزل هستند. آنها اغلب در زیردریایی‌ها، کشتیها، لوکوموتیوها و بارکش‌های بزرگ و در دستگاههای تولیدی برقی استفاده می‌شوند.اگرچه او بیشتر به خاطر اختراع موتور گرمایی اشتعالی با فشار که اسم او را بر خود گرفته است، مشهور بود، دیزل همچنین به عنوان یک کارشناس حرارتی و یک متخصص علوم اجتماعی قابل احترام بوده است. اختراعات دیزل سه نقطه مشترک دارند: آنها برمبنای قوانین یا فرایندهای طبیعی فیزیکی به تبدیلات گرمایی مربوطند. آنها مشخصاً درگیر طراحی مکانیکی هستند و انگیزه ایجاد آنها در اصل فکر مخترع درباره نیازهای جامعه شناسی بوده است. دیزل در واقع با انگیزة قادر ساختن صنعت‌گران مستقل برای رقابت در صنعت، به ایدة موتور دیزلی رسیده است.
در Augsburg در دهم اگوست 1983، مدل اولیه دیزل، یک سیلندر آهنی ده فوتی با یک چرخ طیار در پایه‌اش، برای اولین بار با نیروی خودش به کار در آمد. دیزل دو سال دیگر را برای ایجاد اصلاحات گذراند و در سال 1896 مدل دیگری با کارآیی تئوری 75% در مقابل موتور بخار با کارآیی 15% معرفی کرد. در 1898، دیزل یک میلیونر بود. موتورهای او برای دادن نیرو به خطوط لوله‌کشی، دستگاههای الکتریکی و آبی، اتومبیلها، بارکش‌ها و کمی پس از آن در معدن‌ها، کارخانه‌ها، عرصه‌های نفتی و حمل و نقلهای اقیانوسی استفاده می‌شدند.
دید کلی
موتورهای دیزل ، به انوع گسترده‌ای از موتورها گفته می‌شود که بدون نیاز به یک جرقه الکتریکی می‌توانند ماده سوختنی را شعله‌ور سازند. در این موتورها برای شعله‌ور ساختن سوخت از حرارت‌های بالا استفاده می‌شود. به این شکل که ابتدا دمای اتاقک احتراق را بسیار بالا می‌برند و پس از اینکه دما به اندازه کافی بالا رفت ماده سوختنی را با هوا مخلوط می‌کنند.
همانگونه که می‌دانید برای سوزاندن یک ماده سوختی به دو عامل حرارت و اکسیژن نیاز است. اکسیژن از طریق مجاری ورودی موتور وارد محفظه سیلندر می‌شود و سپس بوسیله پیستون فشرده می‌گردد. این فشردگی آنچنان زیاد است که باعث ایجاد حرارت بسیار بالا می‌گردد. سپس عامل سوم یعنی ماده سوختنی به گرما و اکسیژن افزوده می‌شود که در نتیجه آن سوخت شعله‌ور می‌شود.
تاریخچه
در سال 1890 میلادی آکروید استوارت حق امتیاز ساخت موتوری را دریافت کرد که در آن هوای خالص در سیلندر موتور متراکم می‌گردید و سپس (به منظور جلوگیری از اشتعال پیش‌رس) سوخت به داخل هوای متراکم شده تزریق میشد، این موتورهای با فشار پایین بودند. و برای مشتعل ساختن سوخت تزریق شده از یک لامپ الکتریکی و یا روشهای دیگر در خارج از سیلندر استفاده میشد.
در سال 1892 دکتر رودلف دیزل آلمانی حق امتیاز موتور طراحی شده‌ای را به ثبت رساند که در آن اشتعال ماده سوختنی ، بلافاصله بعد از تزریق سوخت به داخل سیلندر انجام می‌گرفت. این اشتعال عامل حرارت زیادی بود که در اثر تراکم زیاد هوا بوجود می‌آمد. وی ابتدا دوست داشت که موتور وی پودر زغال سنگ را بسوزاند ولی به سرعت به نفت روی آورد و نتایج قابل توجهی گرفت.
طی سالهای متمادی پس از اختراع موتور دیزل ، از این نوع موتور عمدتا و منحصرا در کارهای درجا و سنگین از قبیل تولید برق ، تلمبه کردن آب ، راندن قایق‌های مسافری و باری و همچنین برای تولید قدرت جهت رفع بعضی از نیازهای کارخانجات استفاده میشد. این موتورها سنگین ، کم سرعت ، دارای یک یا چند سیلندر و از نوع دوزمانه یا چهارزمانه بودند.
پیشرفت بیشتر موتورهای دیزل ، تا توسعه سیستم‌های پیشرفته تزریق سوخت در دهه 1930 طول کشید. در این سالها رابرت بوش تولید انبوه پمپهای سوخت‌پاش خود را آغاز کرد. توسعه پمپهای سوخت‌پاش )پمپهای انرژکتور(با توسعه موتورهای کوچکی که برای استفاده در خودروها مناسب بودند متعادل شد.
موتورهای دیزل سبکتری که سرعتشان نیز بالا بود در سال 1925 به بازار عرضه شدند. با آنکه پیشرفت در ساخت این موتورها کند بود. اما در سال 1930 موتورهای دیزل قابل اطمینان که به خوبی طراحی شده‌بودند و چند سیلندر و سریع نیز بودند به بازار عرضه شد. این پیشرفت تا پایان جنگ جهانی دوم برای مدتی کند بود. لیکن از آن تاریخ تا کنون طراحی و تولید این موتورها به طریقی پیشرفت نموده است که امروزه استفاده گسترده و فراگیر از موتورهای دیزل را شاهد هستیم.
تقسیمات
موتورهای دیزل نیز مانند سایر موتورهای احتراق داخلی بر مبناهای مختلفی قابل طبقه‌بندی هستند. مثلا می‌توان موتورهای دیزل را بر حسب مقدار دفعات احتراق در هر دور گردش میل لنگ به موتورهای دیزل دوزمانه و یا موتورهای دیزل چهارزمانه تقسیم‌بندی نموده و یا بر حسب قدرت تولیدی که به شکل اسب بخار بیان می‌گردد. یا بر حسب تعداد سیلندر و یا شکل قرارگیری سیلندرها که بر این اساس به دو نوع موتورهای خطی و موتورهای V یا خورجینی تقسیم بندی می‌کردند و ...
ساختمان
ساختار موتورهای دیزل نه تنها در سیستم تغذیه و تنظیم سوخت با موتورهای اشتعال جرقه‌ای تفاوت میکند. بنابراین ساختارهای بسیار مشابهی میان این موتورها وجود دارد و تنها تفاوت ساختمانی آنها قطعات زیر است که در موتورهای دیزل وجود دارد و در سایر موتورهای احتراق داخلی وجود ندارد.
• پمپ انژکتور : وظیفه تنظیم میزان سوخت و تامین فشار لازم جهت پاشش سوخت را به عهده دارد.
• انژکتورها : باعث پودر شدن سوخت و گازبندی اتاقک احتراق می‌شوند.
• فیلترهای سوخت : باعث جداسازی مواد اضافی و خارجی از سوخت می‌شوند.
• لوله‌های انتقال سوخت : می‌بایست غیرقابل اشباع بوده و در برابر فشار پایداری نمایند.
• توربوشارژر : باعث افزایش هوای ورودی به سیلندر می‌شوند.
طرزکار
همانگونه که اشاره شد موتورهای دیزل بر اساس نحوه کارکردن به دو دسته موتورهای 4 زمانه و 2 زمانه تقسیم می‌شوند. لیکن در هر دوی این موتورها چهار عمل اصلی انجام می‌گردد که عبارتند از مکش یا تنفس - تراکم - انفجار و تخلیه اما بر حسب نوع موتورها ممکن است این مراحل مجزا و یا بصورت توام انجام گیرند.
سیکل موتورهای دیزل چهارزمانه
• زمان تنفس :
پیستون از بالاترین مکان خود (نقطه مرگ بالا) به طرف پایین‌ترین مکان خود در سیلندر (نقطه مرگ پایین) حرکت میکند در این زمان سوپاپ تخلیه بسته است و سوپاپ هوا باز است. با پایین آمدن پیستون یک خلا نسبی در سیلندر ایجاد می‌شود و هوای خالص از طریق مجرای سوپاپ هوا وارد سیلندر می‌گردد. در انتهای این زمان سوپاپ هوا بسته شده و هوای خالص در سیلندر حبس می‌گردد.
• زمان تراکم :
پیستون از نقطه مرگ پایین به طرف بالا (تا نقطه مرگ بالا) حرکت میکند و در حالیکه هر سوپاپ بسته‌اند (سوپاپ هوا و سوپاپ تخلیه) هوای داخل سیلندر متراکم می‌گردد و نسبت تراکم به 15 تا 20 برابر می‌رسد. فشار داخل سیلندر تا حدود 40 اتمسفر بالا میرود و بر اثر این تراکم زیاد حرارت هوا داخل سیلندر به شدت افزایش یافته و به حدود 600 درجه سانتیگراد می‌رسد.
• زمان قدرت :
در انتهای زمان تراکم در حالیکه هر دو سوپاپ همچنان بسته‌اند و پیستون به نقطه مرگ بالا می‌رسد مقداری سوخت روغنی (گازوئیل) به درون هوای فشرده و داغ موجود در محفظه احتراق پاشیده می‌شود و ذرات سوخت در اثر این درجه حرارت زیاد محترق می‌گردند. پس از خاتمه تزریق سوخت، عمل سوختن تا حدود 3/2 از زمان قدرت ادامه پیدا میکند.
فشار زیاد گازهای منبسط شده (به علت احتراق) پیستون را به طرف پایین و تا نقطه مرگ پایین می‌راند. حرکت پیستون از طریق شاتون به میل‌لنگ منتقل می‌شود و موجب گردش میل‌لنگ می‌گردد. در این مرحله حرارت گازهای مشتعل شده به 2000 درجه سانتیگراد می‌رسد و فشار داخل سیلندر تا حدود 80 اتمسفر افزایش می‌یابد.
• زمان تخلیه :
با رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین در مرحله قدرت ، سوپاپ تخلیه باز می‌شود و به گازهای سوخته تحت فشار اولیه اجازه میدهد سیلندر را ترک کند. پس پیستون از نقطه مرگ پایین به طرف بالا حرکت میکند و تمام گازهای سوخته را بیرون از سیلندر می‌راند. در پایان پیستون یکبار دیگر به طرف پایین حرکت میکند و با شروع زمان تنفس سیکل جدیدی آغاز می‌گردد
• .
سیکل موتور دوزمانه دیزل
در این نوع موتورهای دوزمانه سوپاپ تنفس هوای تازه ، نظیر آنچه در موتورهای چهارزمانه ذکر شد وجود ندارد. و به جای آن در فاصله معینی از سه سیلندر ، مجراهایی در بدنه سیلندر تعبیه شده است. که پیستون در قسمتی از مسیر خود جلوی آنها را می‌بندد، اصول کار این موتورها در دوزمان است، که در واقع در هر دور چرخش میل‌لنگ اتفاق می‌افتد.
• زمان اول :
پیستون از نقطه مرگ پایین به طرف بالا و تا نقطه مرگ بالا حرکت میکند. در این زمان پیستون پس از عبور از جلو مجاری تنفس هوای تازه را تاحد معینی متراکم می‌سازد. در طول این زمان سوپاپ تخلیه که در قسمت فوقانی سیلندر و در داخل سه سیلندر قرار دارد کماکان بسته مانده است.
زمان دوم :
در انتهای زمان اول مقداری سوخت روغنی (گازوئیل) به صورت پودرشده به درون هوای متراکم شده و داغ موجود در محفظه احتراق پاشیده می‌شود و ذرات سوخت محترق می‌گردد. فشار زیاد گازهای محترق شده پیستون را به طرف پایین می‌راند. پیستون در مسیر حرکت روبه پایین خود جلو مجاری تنفس هوای تازه را باز میکند. در این موقع هوای تازه به شدت وارد سیلندر می‌گردد. در همین حال سوپاپ تخلیه نیز باز می‌گردد و گازهای حاصل از احتراق بوسیله هوای تازه از سیلندر خارج می‌گردند. پس از رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین سیکل جدیدی آغاز می‌شود.
موتورهای امروزی
پس از این سالها قسمت اعظم تلاشهای مهندسان و مخترعان در بهبود و توسعه موتورهای ساخته شده بود که به صورت مختصر ذکر شدند که اکثریت این تلاشها جهت افزایش راندمان و بازدهی این موتورها بوده است البته در سال 1957 میلادی یک موتور ، پیستون گردان توسط وانکل اختراع شد که به نسبت متعلقات کمتری داشت و حجم کمتری را اشغال می‌کرد لیکن اکثریت موتورهایی که امروز مورد استفاده قرار می‌گیرند موتورهای بخار و موتورهای اشتعال جرقه‌ای و موتورهای دیزل می‌باشند.
موتورهای استرلینگ
موتور استرلینگ موتورهای گرما- کاری هستند که حرارت را تبدیل به جنبش می کنند و نسبت به موتور بنزینی و دیزلی کارآیی بیشتری دارند. امروزه چنین موتورهایی برای موردهای خاص استفاده می کنند مثل زیر دریایی یا قایق خصوصی. گازهایی که درون موتور استرلینگ استفاده می شود هرگز از موتور خارج نمی شوند. در چنین موتورهایی هیچ احتراقی صورت نمی پذیرد، هیچ اگزوزی وجود ندارد و هیچ صدای انفجاری شنیده نمی شود به همین دلیل چنین موتورهایی فاقد صدا هستند. این موتورها از منبع گرمایی خارجی مثل آتش استفاده می کنند. گرما به گاز درون سیلندر گرم شده اضافه می شود. همین امر سبب ایجاد فشار می گردد و پیستون را به سمت پائین می برد. زمانیکه پیستون راست پائین میرود پسیتون چپ به سمت بالا برده می شود. سپس گاز گرم را به سیلندر خنک شده وارد می نماید که خیلی سریع گاز را خنک می سازد و فشار آنرا پائین می آورد. پیستون سیلندر خنک شده گاز را، فشرده می سازد. گرمای ایجاد شده توسط چنین فشرده سازی توسط منبع خنک سازی خارج می گردد. موتور استرلینگ فقط نیرو را در مدت بخش اولیه چرخش بوجود می آورد. دو روش اساسی جهت افزایش نیروی خارجی چرخه استرلینگ وجود دارد: در مرحله اول، فشار گاز گرم شده بر پیستون فشار وارد می آورد. افزایش فشار در این مرحله نیروی خارجی موتور را افزایش میدهد. یک روش افزایش فشار، افزایش درجه حرارت گاز است.
موتورهای استرلینگ چگونه کار می کنند؟
موتور استرلینگ یک موتورحرارتی است که اختلاف زیادی با موتورهای احتراق داخلی در اتومبیل دارد که در سال 1816 توسط رابرت استرلینگ اختراع شد. موتور استرلینگ قابلیت بازدهی بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی و دیزلی دارد.
اما امروزه موتورهای استرلنگ فقط در برخی کاربرد های خاص مانند زیر دریاییها یا ژنراتورهای کمکی در قایق ها که عملکرد بی صدا مهم است استفاده می شود. اگر چه موتورهای استرلینگ به تولید انبوه نرسید اما برخی اختراعات پرقدرت با این موتور کار می کند.
موتورهای استرلنگ از چرخه استرلنگ استفاده می کند که مشابه چرخه های استفاده شده در موتورهای احتراق داخلی نیست.
گاز استفاده شده در داخل موتورهای استرلنگ هیچ وقت موتور را ترک نمی کند و مانند موتورهای دیزل و بنزینی سوپاپ دود که گازهای پر فشار را تخلیه می کند و محفظه احتراق وجود ندارد .به همین علت موتورهای استرلنگ بسیار بی صدا هستند .
• چرخه استرلینگ از یک منبع حراتی خارجی که می تواند هر چیزی از بنزین و انرژی خورشیدی تا حرارت ناشی از پوسیدگی گیاهان باشد استفاده کند و هیچ احتراقی داخل سیلندرهای موتور رخ نمی دهد .
صدها راه وجود دارد که یک موتورهای استرلنگ ایجاد کنیم .در این مقاله ما درمورد چرخه استرلینگ و چگونگی کار انوع مختلف این موتورمطالبی می آموزیم .
چرخه استرلینگ:
قاعده اصلی کار موتور استرلنگ این است که مقداری گاز داخل موتور محفوظ شده است .چرخه استرلینگ شامل یک سری رویداد است که فشار گاز داخل موتور را تغییر می دهد و سبب ایجاد کار می شود . چند خاصیت مهم گاز وجود دارد که برای عملکرد موتورهای استرلنگ مهم است :
• اگر مقداری گاز محبوس در یک حجم ثابت از فضا داشته باشید و شما به آن گاز حرارت بدهید , فشار گاز افزایش خواهد یافت .
• اگر مقداری گاز محبوس داشته باشید و آن را فشرده کنید (حجم آن را در فضا کاهش دهید ) ، دمای آن گاز افزایش خواهد یافت .
اجازه دهید به هر کدام از مراحل سیکل استرلینگ ، هنگامی که به موتور ساده شده استرلینگ نگاه می کنیم برویم .
موتور ساده شده ما از دو سیلندر استفاده می کند. یک سیلندر به وسیله ی یک منبع خارجی گرما، گرم می شود (مثل آتش) ودیگری به وسیله ی یک منبع سرد خارجی ، سرد می شود (مثل یخ ).محفظه گاز دو سیلندر به هم متصلند ، وپیستون ها به طور مکانیکی به وسیله ی یک اتصال که چگونگی حرکت انها را معین می کند به یکدیگر متصلند .
دو پیستون در انیمیشن بالا تمام مراحل سیکل را انجام می دهند .
سیکل استرلینگ 4 مرحله دارد :
-1 حرارت به گاز داخل سیلندر گرم منتقل می شود (چپ) و سبب ایجاد فشار می شود این فشار پیستون را مجبور می کند تا به سمت پایین حرکت کند و این قسمتی از سیکل استرلینگ است که کار انجام می دهد .
-2 هنگامی که پیستون راست به طرف پایین حرکت میکند پیستون چپ بالا می آید .این جابجایی گاز داغ را به داخل سیلندر سرد می راند ، که به سرعت گاز داخل منبع سرد را ، سرد می کند و فشار آن کاهش می یا بد .این عمل فشرده کردن گاز را در قسمت بعدی سیکل ساده تر می کند .
- 3 پیستون داخل سیلندر سرد (راست) شروع به فشرده کردن گاز می کند و گرمای تولید شده توسط این متراکم سازی به وسیله ی منبع سرد حذف می شود .
-4 هنگامی که پیستون چپ پایین می رود پیستون سمت راست بالا می آید .این عمل گاز را به داخل سیلندر گرم می راند ،که به سرعت گرم شده و فشار ایجاد می کند .در این هنگام سیکل تکرار می شود .
موتوراسترلنگ فقط در طول مرحله اول سیکل نیرو تولید می کند . در این جا دو روش برای افزایش قدرت خروجی از سیکل استر لیتگ وجود دارد :
• افزایش قدرت خروجی در مرحله اول : در مرحله اول سیکل، فشار گاز گرم، پیستونی که کار انجام می دهد را می راند ، افزایش فشار در طول این قسمت از سیکل قدرت خروجی موتور را افزایش می دهد .یک راه افزایش فشار، افزایش دمای گاز است . هنگامی که ما بعدا به دو پیستون موتور استرلنگ در این مقاله نگاه کنیم خواهیم دید که چگونه یک وسیله که ریجناتور نامیده می شود قدرت خروجی موتور را به وسیله ی حرارت ذخیره شده ی لحظه ای بهبود می بخشد .
• کاهش قدرت استفاده شده در مرحله 3 :در مرحله سوم سیکل ، پیستون روی گاز کار انجام می دهد و از قسمتی ازکار ایجاد شده در مرحله اول استفاده می کند . کاهش فشار در طول این مرحله از سیکل، می تواند قدرت استفاده شده در این مرحله را کاهش دهد (و به طور موثر قدرت خروجی افزایش می یابد ). یک راه کاهش فشار سرد کردن گاز در دمای پایین تر است .
این بخش سیکل ایده آل استرلینگ را توضیح داد .کار واقعی موتور به دلیل محدودیتهای طراحی فیزیکی مقداری با سیکل ایده آل اختلاف دارد .
در دو قسمت بعدی ما نگاهی به دو نوع مختلف موتورهای استرلنگ می کنیم .تحلیل نوع جابجا شونده موتور ساده تر است بنابراین ما این نوع را شروع می کنیم .
نوع جابجا شونده موتور استرلینگ :
به جای داشتن دو پیستون ،نوع جابه جا شونده یک پیستون دارد که جابه جا می شود .جابه جا کننده برای کنترل موقعی که مخزن گاز گرم و یا موقعی که سرد است به کار می رود .این نوع موتور استرلینگ اغلب به صورت نمایشی در کلاس درس استفاده می شود .شما حتی می توانید قطعات آنرا برای سر هم کردن بخرید .
به عبارتی حرکت موتور بالا مستلزم یک اختلاف دما بین بالا و پایین سیلندر بزرگ است . در این مورد ، اختلاف بین دمای دستتان و هوای اطراف آن برای چرخش موتور کافی است
در این موتورها :
-1 پیستون قدرت :که پیستون کوچکتر در بالای موتور است و به طور محکم محفوظ شده است وبه علت انبساط گاز داخل موتور بالا می آید .
-2 جابه جا کننده :که پیستون بزرگ در تصویر است .این پیستون در داخل سیلندر بسیار آزاد است بنابراین هوا به سادکی بین قسمت گرم و سرد موتور هنگامی که پیستون بالا و پایین می رود می تواند حرکت کند .
جابه جا کننده بالا و پایین می رود تا گاز داخل موتور گرم و سرد شود .دو موقعیت برای این حالت وجود دارد :
• هنگامی که جابه جاکننده نزدیک بالای سیلندر بزرگ است بیشتر گاز داخل موتور توسط منبع گرم ، گرم و منبسط شده است و فشار ایجاد شده درداخل موتور، نیروی بالا برندگی پیستون را ایجاد می کند .
• هنگامی که جابه جاکننده نزدیک کف سیلندر بزرگ است بیشتر گاز داخل موتور سرد و متراکم شده است که سبب افت فشار می شود و پایین آمدن پیستون قدرت را ساده تر می کند و گاز فشرده می شود .
موتور مکرر گاز را گرم وسرد می کند و از گاز منبسط و منقبض شده انرژی دریافت می کند .ما نگاهی به موتور استرلینگ دو پیستونه خواهیم داشت .
موتور استرلینگ دو پیستونه:
در این موتور ،سیلندر به وسیله ی مشعل خارجی گرم می شود . سیلندر سرد با جریان هوا سرد شده و در آن بالا و پایین می رود تا به فرایند سرد شدن کمک کند . میل رابط هر پیستون به یک دیسک کوچک متصل است که در حال چرخیدن به یک فلایویل بزرگ متصل است و هنگامی که نیرویی توسط موتور تولید نمی شود باعث تداوم حرکت پیستون می شود .
-1 در قسمت اول سیکل ، فشار تولید می شود و پیستون را به حرکت به سمت چپ مجبور می کند و کار صورت می گیرد . پیستون سرد چون در موقعیتی است که در حرکت خود تغییر جهت خواهد داد تقریبا ساکن باقی می ماند .
2 - در مرحله بعدی ، هر دو پیستون حرکت می کنند ،پیستون گرم به سمت راست و پیستون سرد به سمت بالا حرکت می کند . این عمل گاز را بیشتر به سمت رجیناتور و پیستون سرد حرکت می دهد .رجیناتور وسیله ای است که به طور موقت حرارت را می تواند ذخیره کند و از شبکه سیمی که گاز گرم از بین آن عبور می کند ساخته شده است .سطح بزرگ شبکه سیمی، حرارت را جذب می کند وآن را به آرامی به محیط سرد می دهد .
-3 پیستون در سیلندر سرد شروع به متراکم کردن گاز می کند .گرمای ایجاد شده توسط این تراکم به واسطه ی سطح سرد از بین می رود .
-4 در آخرین مرحله سیکل هر دو پیستون حرکت می کنند ، هنگامی که پیستون گرم به سمت چپ حرکت می کند پیستون سرد به سمت پایین حرکت می کند .
این عمل گاز اطراف رجیناتور (جایی که در طول سیکل قبلی گرما را ذخیره کرده بود ) را به داخل سیلندرگرم می راند .در این لحظه سیکل دوباره تکرار می شود.
شما ممکن است از اینکه هیچ درخواستی برای تولید انبوه موتور استرلینگ نبوده است تعجب کرده باشید .
چرا موتورهای استرلینگ متداول نیستند؟
دو ویژگی وجود دارد که ساخت موتورهای استرلینگ را برای استفاده در بسیاری از کاربردها مانند بسیاری از ماشین ها و کامیون ها غیر عملی می کند .
به دلیل اینکه منبع حرارت در خارج است برای موتور مقداری طول می کشد تا به تغییرات گرمایی داخل سیلندر عکس العمل نشان دهد. برای انتقال حرارت بین دیواره های سیلندر و گاز داخل موتور زمانی صرف می شود . این بدین معناست که :
•موتورقبل از اینکه کار مفید را ایجاد کند به مقدارزمانی نیاز دارد تا گرم شود .
• موتور نیروی خروجی اش را نمی تواند به سرعت تغییر دهد .
این نقایص باعث شده است که این موتور با موتورهای احتراق داخلی اتومبیل جایگزین نشود. هر چند که وجود موتور استرلینگی که به ماشین هیبریدی نیرو می دهد امکان پذیر است .
موتورهاي استرلينگ عليرغم مزاياي ويژه اي که نسبت به موتورهاي احتراق داخلي دارند، داراي اين عيب عمده هستند که به خاطر نحوه انتقال انرژي گرمايي، توان مورد نياز را با تاخير تامين مي کنند. کندي عکس العمل موتورهاي استرلينگ در مقابل تغييرات بار ورودي باعث محدوديت کاربردهاي صنعتي آنها خاصه در مواردي که نظير خودرو، نياز به تغييرات سريع بار وجود دارد گرديده است. مقاله حاضر روشي را براي اين حل مشکل در کلاس وسيعي از موتورهاي استرلينگ ارايه مي نمايد. در اين مقاله طراحي سيستم کنترلي، بر روي مدل رياضي غير خطي موتور استرلينگ نوع گاما که با استفاده از نتايج تجربي به دست آمده، اعمال شده است. سيستم کنترلي پيشنهادي بر مبناي تنظيم دو عامل دما و فشار به عنوان ورودي هاي کنترلي طراحي و ارايه شده است. نشان داده شده است که اين سيستم دو ورودي – يک خروجي، توانايي پاسخگويي به تغييرات سريع توان را دارد
در موتورهاي استرلينگ، علت اصلي كندي عكس العمل موتور نسبت به تامين توان مورد نياز آن است كه تامين انرژي سيستم به وسيله انتقال انرژي حرارتي از طريق پوسته گرمكن به گاز عامل داخل سيلندر انجام مي شود. چون انتقال انرژي حرارتي از طريق پوسته به كندي انجام مي شود، برخلاف اكثر سيستمهاي كنترلي، درموتورهاي استرلينگ عملگر سيستم خود داراي بيشترين تاخير زماني است. ، به منظور افزايش سرعت عكس العمل موتور استرلينگ به تغييرات توان مورد نياز، علاوه بر وروديهاي كنترلي دما و فشار، سرعت پيستون جابجايي نيز در نظر گرفته شده است. به اين ترتيب، سيستم كنترلي نخست درشرايط دما ثابت، براساس توان مورد تقاضا، ازجداول سرعت- توان، سرعت مناسب موتور را انتخاب مي نمايد. اين سرعت در ابتدا توسط يك موتور الكتريكي كمكي DC تامين مي شود. سپس، با مقايسه سيگنال خروجي، توان حاصله با توان مورد نياز، فرامين كنترلي براي تنظيم فشار و دماي گاز عامل تعيين مي شوند. در مدلسازي موتور استرلينگ فرض ايزوترم بودن فرايند حذف شده است تا رفتار مدل به موتور واقعي نزديكترباشد. نتايج شبيه سازي سيستم مدار بسته با كنترلر طراحي شده نشان دهنده افزايش موثر سرعت عكس العمل موتور است. همچنين، نشان داده شده كه سيستم كنترلي در مقابل اغتشاشات خارجي و داخلي نيز مقاوم است. اين اغتشاشات به صورت تغيير در دماي منبع سرد و تغيير در پارامترهاي سيستم اعمال شده است. به دليل ثابت بودن گشتاور موتور هاي استرلينگ در محدوده وسيعي از سرعت، در سيستم كنترلي فرض شده راندمان موتور كمتر دستخوش تغيير مي شود
دانشمندان تلاش ميكنند موتورهاي گرمايي را به بالاترين بازده ممكن يعني بازده كارنو ( بازدهي كه موتور گرمايي بتواند بدون اتلاف انرژي در جهت عكس(يخچال) هم كار كند يعني يخچالي كه به همان خوبي اي كه يخچال است بتواند موتور هم باشد يا بر عكس !) برسانند.موتور استر لينگ نمونه عيني قانون ترموديناميك در مورد موتورهاي گرمايي است( حتي بهتر از موتور بخار پيستوني) چون دقيقآ همان تعاريفي كه در ترموديناميك از ان مي شود را مي توان بدون هيچ تغييري در مورد موتور استرلينگ به كار برد( مثلآ موتورهاي چهار زمانه كار براتوري مرحله تخليه را مترادف بامرحله سرد شدن گاز محبوس( ! در ترموديناميك گاز كاري يا سيستم درون استوانه اي محبوس شده و هيچ ارتباط مستقيمي با محيط بيرون ندارد ضمن اينكه در شرايط ايدئال هميشه گاز در تعادل(شرايط استاندارد)است)در نظر مي گيريم) ولي در موتور استرلينگ واقعآ گاز محبوس را سرد مي كنيم و احتياج به هيچگونه تطبيق دادن فرايند ها و فرض انگاري نيست.
پس موتور استرلينگ براي ياد گيري اصول ترموديناميك مدلي بسيار عالي است به همين خاطر در كشورهاي غربي براي يادگيري بهتر اصول ترموديناميك دانش اموزان را با اين موتورها اشنا مي كنند ومثلآ دانش اموزان ترغيب مي شوند كه خودشان با وسايل ابتدايي مانند قوطيهاي كنسروو..كار دستي هايي از موتورهاي استرلينگ بسازند وقتي بچه ها مي بينند موتوري كه با دست خودشون ساخته اند و سر كلاس معلم قواعد حاكم بر ان را توضيح داده واقعآ كار مي كند اشتياق به يادگيري زيادي درونشان به وجود مي آید.
به عنوان يك مدل مي توان گفت يخچال شما توسط يك موتور استرلينگ كار ميكند
قبلآ گفته بودیم كه پمپها وموتورهاي شيميايي و به طور كلي انبساطي داراي اصول كار كرد يكساني هستندواقعآ مهيج است وقتي مي بينيد مطالب تئوري اينگونه و بدون هيچ اشتباه و خطايي به عمل تبديل مي شوندصرفآ با چند فرمول و قاعده كه بر مبناي اصول رياضي است در اكثر مورد وسيلهاي اختراع مي شود و سپس قوانين و فرمولها براي توجيه رفتار ان كشف مي شوند ولي اينكه از رابطه يا فرمولي وسيله اي ساخته شود كاري به مراتب مشكلتر است و فقط از پس افراد خاصي بر مي ايد...
موتور دیزلی تنها در محلی كه هوا وجود دارد، می تواند كاركند. موتور دیزلی، صدایی بسیار بلند تولید می كند كه برای زیردریایی بسیار نامناسب است. زیردریایی ها در هنگام غوطه ور شدن، از باتری هایی كه تنها برای یك روز قابلیت شارژ دارند، استفاده می كنند. موتورهای اتمی این محدودیت ها را ندارند، اما شركت سوئدی تولید كننده زیردریایی كوكافر AB راه حل دیگری را پیشنهاد می كند.این سازنده، موتورهای استرلینگ را درون تولیدات خود نصب می كند. این موتورها نیروی لازم را برای نیازهای الكتریكی زیردریایی ها فراهم می كنند. این طرح موتور نیازی به هوا ندارد و در همین حال دیزلی است و ذخیره اكسیژن را با خودش حمل می كند. به گفته لارس لارسون، مدیر بخش استرلینگ شركت، این زیردریایی می تواند هفته ها زیر آب بماند. برخلاف موتورهای دیزلی دیگر، موتور استرلینگ بسیار بی سروصدا كار می كند. موتور استرلینگ در نوع خود پدیده ای شگرف است، شاید به این دلیل است كه تعداد كمی از آنها در اطرافمان وجود دارند. هنگامی كه این گونه موتور اختراع شد، در قیاس با موتورهای بخار امنیت بیشتری داشت، اما با ظهور موتورهای درون سوز از وجهه آنها كاسته شد. با این حال، آنها هیچ گاه از رده خارج نبوده اند. سیكل استرلینگ در اسباب بازی های ساخت شركت «آمریكن استرلینگ»، با گرمای دست كار می كنند. موتورهای استرلینگ در خنك كننده های انجمادی و تولید نیرو در بخش های خاصی از صنعت به كار می روند، اما در ماه های اخیر، خبرهایی به گوش می رسد كه نشان دهنده فزونی توجه به این موتورها است. توسعه دهندگان موتورهای استرلینگ می گویند كه موتورهای آنها بازده انرژی بالایی دارند و دوام آنها از دیگر انواع موتورهای با كاركرد یكسان بیشتر است. این موتورها ساكت و آرام كار می كنند، زیرا سیكل های استرلینگ برخلاف موتورهای درون سوز، نیازی به انفجار سوخت برای به حركت درآوردن پیستون ها ندارند. تنها نیاز آن حرارت دائمی است. تفاوتی ندارد كه این حرارت از آتش مواد نفتی، شیمیایی، واكنش هسته ای و یا نور خورشید گرفته شده باشد. هنگامی كه دكتر رابرت استرلینگ در سال ۱۸۱۶ موتوری را كه اكنون به نام او خوانده می شود، به ثبت رسانید،او انتظار داشت نتیجه ای درخور، از تلاش های خود بگیرد. قصد او این بود كه راه حل جانشین امنی برای بویلرهای بخاری كه بر اثر ساخت بد مخازن، كاركنان اطراف آن را به كشتن می داد، بیابد. گازی كه درون سیلندر محبوس میشد در اثر فشار به بدنه، منفجر شده و افراد کشته می شدند.
رودولف كلازيوس (1888 – 1822) نخستين كسي بود كه در علم ترموديناميك مبحث آنتروپي را وارد كرد همان طور كه مي‌دانيد آنتروپي يك سيستم كه با مشخص مي‌شود از تقسيم گرمايي كه سيستم مي‌گيرد بر دماي كل سيستم بدست ميآيد: وي بيان كرد كه ماشين در حالت آرماني آنتروپي برابر صفر دارد يعني: و در مورد ماشينهاي غير آرماني آنتروپي با گذشت زمان افزايش مي‌يابد او قانون دوم ترموديناميك را با مبحث آنتروپي فرمولبندي كرد و دو قانون را در سال 1850 با اين عبارت بيان كرد: انرژي جهان ثابت مي‌ماند اما آنتروپي آن مايل است كه به حداكثر برسد.
چرخه كارنو
همواره، به دنبال گرفتن بيشترين مقدار كار از مقدار گرماي معيني هستيم كه از چشمه گرم به ماشين گرمايي داده مي‌شود. با اين حال هرگز نمي‌توان ماشين گرمايي ساخت كه بازده نظري آن %100 باشد. اما آيا مي‌توان چرخه‌اي را پيدا كرد كه وقتي ماشين گرمايي كه بين دو دماي TC و TH كار ميكند، بيشترين كارايي را داشته باشد؟ مفهوم آن اين است كه از مقداري انرژي گرمايي با دماي TH توسط يك چرخه ترموديناميكي، حداكثر چه مقدار كار مكانيكي مي‌توان گرفت؟ جواب اين سوال چرخه كارنو است. چرخه كارنو چرخه‌اي است كه بيشترين كارايي را دارد. چرخه كارنو از دو فرآيند همدما و فرآيند بي دررو تشكيل شده است.
ماده كاري ماشين كارنو، گاز كامل است.
گاز در مسير ab در دماي ثابت TH گرماي QH را از چشمه گرم مي‌گيرد و به طور هم دما منبسط مي‌شود.
در مسير bc ماده كاري به طوربي دررو مي‌شود و به دماي TC مي‌رسد.
در مسيرcd ، گاز كامل به طور همدما در دماي ثابت TC و با دادن گرماي QC به چشمه سرد متراكم مي‌شود.
در مسير da نيز ماده كاري به طور بي‌دررو متراكم مي‌شود و دمايش به TH مي‌رسد.
در چرخه كار نو رابطه روبرو برقرار است:
با توجه به كارايي:
علاوه بر ماشينهاي گرمايي كه مي‌توانند چرخه كارنو را طي كنند، يخچالها نيز مي توانند چرخه كارنو را طي نمايند كه به اين يخچالها، يخچال كارنو گفته مي‌شود.
چند سخن برادرانه و خودمونی:
شما اگر بخواهيد مطمئن باشيد مي تونيد بدون دانشگاه رفتن يك متخصص طراح موتورخيلي ماهر باشيد درست است كه براي طراحي حتي يك موتور چهار زمانه نسبتآ ساده به چند صد نفر نياز داريم تا هر كدام كار بخصوصي را انجام بدهند ولي حتي يك نفر متخصص هم مي تونه كار همه ي اونها را انجام بده به شرطي كه مهارتهاش را طي سالها روز به روز زياد كنه تا بالاخره در اين زمينه متخصص شود اگر سالها پيش حتي يك نفرايراني خودش را وقف موتور كرده بود الان مجبور نبوديم يك موتور با فناوري سطح متوسط اروپاي فعلي را موتور ملي خودمون بناميم در صورتي كه اصلا مي تونيم اونرا موتوري الماني بناميم من اصلآ نميخوام قدر نشناسي از زحمات محققان كشورمون كنم ولي حقيقت تلخ اينه كه در ايران چنين فردي كه بتونه فناوري طراحي موتور رابراي ايران بومي كنه نيست حالا شما ميتونيد از همين حالا مهارتهاي طراحي خودتون را تقويت كنيد تا انشاالله بتونيم دين خودمون را به كشورمون ادا كنيم اولين كار دادن طرح اوليه است كه ميتونه مال خودتون باشه يا كس ديگري
ابتدا اصول كاركرد موتور را مشخص كنيد و ببينيد ايا تا بحال چنين موتوري ساخته شده وپس از ساختن نمونه ي اوليه و مطمئن شدن ازكار كرد صحيح ان شروع كنيد به بهينه سازي طرح اوليه پس از كامل شدن بهينه سازي و طراحي اوليه كليه اجزاشروع مي كنيم به طراحي دقيق اجزاء امروزه با وارد شدن نرم افزارهاي بسيار قوي در زمينه ي شبيه سازي واناليز كارها بسيار سريعتر و دقيقتر انجام مي شودولي بازهم مجبوريد در بسياري مواقع از همان روشهاي سنتي استفاده كنيد در زمينه ي موتور شما به دو دانش اصلي تر موديناميك و ديناميك بايد احاطه ي كامل داشته باشيد و همچنين با يد رياضيات خودتون را بخصوص در زمينه ي حل معادلات ديفرانسيلي قوي كنيداين دروس بيشتر در دانشگاهها شامل دروس: مكانيك سيالات،تر موديناميك،مقامت مصالح،طراحي اجزاء ديناميك ،ارتعاشات،طراحي مكانيزمها.. مي باشد.
براي تمرين يك قطعه رادر نظر بگيريد مثل ميل لنگ ابتدا حركت انرا در كل مجموعه بررسي كنيد بينيدچند درجه ازادي دارد نقاط تكيه گاهي و قيد ان كجاست حدس بزنيد به چه قسمتهايي بار بيشتري وارد مي شوندچه قسمتهايي ميتونند باعث ارتعاش شديتري در سيستم شونداگر مي تونيد با فرملهايي كه بلديد نقاط بحراني سيستم را پيدا كنيدو هر قطعه اي را جدا گانه طراحي كنيدو اگر با نرم افزار ها اشنايي داري انها را تحت تنشهاي استاتيك ديناميكي و حرارتي قرار دهيد من هميشه در منزلم يك موتور همراه با كوليس ميكرو متر و ساعت اندازه گيري دارم در مواقع بي كاريم به سراغشون مي رم دقيقآ قطعات اونرواندازه گيري مي كنم و فكر مي كنم كه چرا مثلآ قطر اينجا بيشتر است و قطر اينجا كمتروچرا فلان قطعه اين شكل را داردو...و سعي مي كنم با فرمولهايي كه بلدم قطعه مورد نظرم را طراحي كنم و بعضي مواقعكه نتيجه مطلوب نمي رسم به مراجع ديگر رجوع مي كنم.به اين صورت در علم طراحي پيشرفت زيادي پيدا مي كنيدو به جايي مي رسيد كه با ديدن هر موتوري نقاط ضعف و قوت طراحي اش برايتان نمايان مي شودو با مواجه شدن با طرحهاي جديد آنآ چهار چوب و روند طراحي ان برايتان نمايان مي شود. رفتار سوخت را در موقع واكنش بررسي كنيد ضربه انفجار اونرو پيداكنيد و اثراتش را بر محفظه ي احتراق اگر مي تونيد با نرم افزار بدست بياريد.
بهترين شكل و جنس را براي قطعات پيدا كنيد همه ي قطعات طراحي شده را ادغام كنيدو بهينه ترين حالت را پيدا كنيدشايد چيزي كه به دست مي اوريد اصلآ با واقعيت صدق نكند ولي شما چيزهاي زيادي ياد مي گيريدچون مجبوريد به منابع زيادي رجوع كنيدتا به پرسشهايي كه در ذهنتان بوجود امده پاسخ دهيد و جسارت طراحي قطعات جديد درونتان بوجود مي ايد.
اگر بازم خواستيد پيش بريدو مشخص كنيد چه قطعاتي را نمي توان به سادگي ساخت ويا ساختشون گرون تموم مي شه اگه مي تونيد اونرا طوري طراحي كنيدكه بشه راحت ساختش وگرنه يكم بررسي كنيد ببينيد مي تونيد اجزاء ديگر را طوري تغير دهيد كه بتونيداون قطعه را دوباره طراحي كنيد و اگر بازم نشد ببينيد گرون تموم شدن قطعه بهتره يا طراحي مجدد مكانيزم و بالاخره طرحتون را كامل كنيد لازم نيست از قطعات پيچيده شروع كنيدمي تونيد از مكانيزمهاي كاملآ ساده واستاتيك شروع كنيد.
در ابتدا شايد سردر گم باشيدو اصلآ ندونيد بايد چكار كنيدولي كم كم راه مي افتيد.
کاری از:
مهدی حجتی
زمستان 1388
برای دریافت فایل به صورت پاور پوینت روی لینک زیرکلیک کنید
http://www.4shared.com/file/c5BOWM9N/Diesel_Motor.html
لغوی:
این عبارت مرکب است از دو کلمه موتور به معنای بوجود آورنده قدرت و حرارت که بیان کننده نحوه تأمین این قدرت است که با استفاده از حرارت دادن سوخت ایجاد می‌شود.
دید کلی
بشر برای انجام کارهای روزمره و تأمین رفاه و آسایش خود از منابع قدرت مختلفی در زندگی خود استفاده میکند. این منابع قدرت که برای انجام کارهای مختلف مور استفاده قرار می گیرند عبارتند از :
• قدرت انسان: انسان برای انجام بسیاری از کارهای سبک از توانایی بدن خود استفاده میکند.
• حیوانات اهلی: استفاده از حیوانات در کارهایی مثل بارکشی و زراعت از اوایل تمدن بشری تا به حال رواج دارد.
• قدرت باد: از قدرت باد جهت حرکت برخی قایقها و یا آسیابهای بادی و یا تولید برق می‌توان استفاده کرد.
• قدرت آب: در مزارع آسیابهای آبی قدیمی وجود داشته است لیکن کاربرد قدرت آب امروزه به شکل تولید برق است.
• قدرت برق: برق منبع قدرتی است که به آسانی در دسترس قرار می‌گیرد. و به منظور ایجاد حرارت ، روشنایی و به کار انداختن دستگاههای مختلف می‌توان از آن استفاده کرد.
موتورهای اولیه
بشر از سالهای دور در فکر ساختن موتورهایی بوده است که با حرارت کار می‌کنند. لیکن در این زمینه تا قبل از قرن هفدهم هیچ نتیجه‌ای بدست نیامد. در سال 1678 میلادی یک فرانسوی به نام» آب ژان اوت فوی« پیشنهاد کرد که برای ایجاد قدرت از یک پودر قابل انفجار استفاده شود. گفته می‌شود که اوت فوی اولین کسی بوده است که موتوری را طراحی کرد که در آن از حرارت به عنوان یک نیروی جنبشی که قادر به تولید کاربرد ، استفاده گردیده است. پس از اوت فوی ، کریستیان هوگنز اولین کسی بود که اعتبار ساختن یک موتور حرارتی را کسب کرد. این موتور که در آن از یک پودر قابل انفجار به عنوان سوخت استفاده میشد. در سال 1680 میلادی در مقابل وزیر دارایی فرانسه به نمایش گذاشته شد.
موتور بخار
هیچ کدام از تلاشهای اولیه موفق واقع نشد و کوششهای بیشتر در ساختن یک موتور حرارتی تا مدتی حدود یکصد سال راکد ماند. تا آنکه دو قرن هیجدهم میلادی امکانات استفاده از بخار آب برای تولید قدرت و تشخیص و توسعه داده شد. اولین توسعه موفقیت آمیز موتورهای بخار در سال 1769 میلادی صورت گرفت. در این تاریخ بود که جیمزوات توانست یک موتور بخار قابل استفاده را به ثبت برساند.
تاریخچه:
در حدود سال 1800 میلادی فکر پژوهشگران به طرف ساخت موتورهای احتراق داخلی معطوف گردید. در طول سالهای 1800 تا 1860 میلادی تعدادی موتور ساخته شد که در حقیقت هیچکدام از آنها بطور واقعی موفقیت آمیز نبود اما گام‌های موثری نیز طی این سالها برداشته شد. مثل استفاده از تراکم در سیکل موتور و اصلاح سیستم اشتعال سوخت توسط بارنت در سال 1838 م و تولید یک موتور احتراق داخلی در مقیاس تجارتی توسط ژان ژوزف لنوآر در سال 1860.
بودوروشا
شاید بتوان گفت که اولین اقدام مهم برای توسعه موتورهای احتراق داخلی بوسیله یک مهندس فرانسوی به نام بودوروشا انجام گرفت. وی در سال 1862 م نظریه طرز کار موتور احتراق داخلی را بدست آورد که تمامی موتورهای احتراق داخلی امروزی نیز بر این اساس ساخته می‌شوند. او برای آنکه انجام کار احتراق توسط موتور به خوبی انجام شود. چهار مرحله را پیشنهاد کرده بود که باعث بازدهی بالای موتور می‌باشد.
اتو و کلارک
مهندس بودوروشا موفق به ساخت یک موتور بر اساس نظریاتش نشد. اما این نظریات به عنوان موارد لزوم پذیرفته شد. گرچه تلاشهای چشمگیری در سالهای بعد در ساخت یک موتور انجام پذیرفت اما تا سال 1876 که دکتر کلاآگوست آتو اهل آلمان اولین موتوری را که بر اساس اصل بودوروشا کار می‌کرد با موفقیت ساخت. به دنبال اختراع موتورهای چهارزمانه توسط آتو اختراع اولین موتور دوزمانه از سال 1878 میلادی بوسیله دوگالد کلارک انگلیسی به ساخت رسید. در این موتور یک زمان قدرت در هر دور گردش میل لنگ به جای هر دو دور گردش آن وجود دارد این موتور تا سال 1881 م به بازار عرضه نشد.
موتورهای حرارتی: این موتورها با سوزاندن مواد سوختی تولید قدرت می‌کنند و اصول کلی کار این موتورها بر اساس تشدید حرکت مولکولها به دلیل حرارت است.
حتما این را می‌دانید که مواد هنگامی که در معرض حرارت قرار می‌گیرند. حرکت مولکولهایشان سریعتر می‌گردد، البته این حرکت در گازها به شکل جابجایی مولکولها و در جامدات به شکل ارتعاش مولکولها در سر جایشان است. موتورهای حرارتی هم از این قاعده استفاده می‌کنند. لیکن در همه موتورهای حرارتی یک گاز باعث انتقال حرارت و انرژی می‌گردد.
بدین شکل که در موتورهای حرارتی یک قطعه متحرک به نام پیستون وجود دارد که در یک محفظه بسته به نام سیلندر حرکت رفت و برگشتی دارد. عامل این حرکت یک گاز است که یا در داخل خود سیلندر گرم می‌شود و یا خارج از محفظه سیلندر گرم شده و پس از گرم شدن به داخل سیلندر فرستاده می شود. این گاز داغ باعث حرکت پیستون می‌شود. انرژی این حرکت بوسیله مولکولهای پرانرژی گاز داغ تامین می‌شود.
چرخه عملكرد اين نوع موتور ها در نوع بنزيني مطابق با نمودار زير است :
ب الف
ت پ
A→B : در اين مرحله با احتراق مخلوط سوخت و هوا ماده كاري گرم مي شود .
B→C : ماده كا ري بصورت بي دررو انبساط مي يا بد .
C→D : ماده كاري در يك فرآيند حجم ثابت دما از دست مي دهد .
D→A : ماده كار ي بصورت بي دررو متراكم مي شود.
بدين ترتيب در فر آيند A→B ماده كار ي (مخلوط سوخت و هوا ) گرما ي QH حاصل از احتراق را در يافت مي كند و در فر آيند C→D با باز شدن سو پاپ دود گر ما از دست مي دهد .
چرخه حاضر را چرخه اتو مي نا مند .
چرخه كارنو :
آقاي كارنو ماشيني را بطور فرضي ساخت كه در ان از دو تحول دما ثابت و دو تحول بي دررو استفاده مي شد .مطابق شكل زير ا و ثابت كرد كه :
اگر چنين ماشيني ساخته شود ، آنگاه مي توان بيشترين بازده را بدست آورد. رابطه بازده او بدين شرح است :
كار در چرخه كارنو از رابطه زير بدست ميآيد :
انواع موتورهای حرارتی
موتورهای حرارتی خود به دو دسته کلی احتراق داخلی و احتراق خارجی تقسیم می‌شوند.
• موتورهای احتراق خارجی: در این موتورها که عموما موتورهای بخار نامیده می‌شوند. از بخار آب به عنوان عامل محرک پیستون استفاده می‌شود. وجه تسمیه آن نیز بدین دلیل است که بخار داغ به علت محترق شدن ماده سوختنی در خارج از سیلندر موتور ایجاد می‌شود و توسط یک لوله به محفظه سیلندر منتقل می‌گردد.
• موتورهای احتراق داخلی: این موتورها خود به دو دسته کلی موتورهای اشتعال جرقه‌ای و دیزل تقسیم می‌شوند و وجه تسمیه آنها اینست که ماده سوختنی در داخل محفظه سیلندر محترق می‌گردد.
موتورهای اشتعال جرقه‌ای: در این موتورها پس از ورود مخلوط سوخت و هوا به داخل سیلندر از یک جرقه برای شعله‌ور ساختن آن استفاده می‌شود.
موتورهای دیزل: در این موتورها برای محترق ساختن سوخت از حرارت ایجاد شده بواسطه تراکم هوا استفاده می‌شود.
طرز کار
همانگونه که از نام این موتورها بر می‌آید با استفاده از حرکت ، تولید قدرت می کنند هرچند که این موتورها برای تولید حرارت ممکن است از سوختهای مختلف ، نظیر زغال سنگ ، نفت ، بنزین ، گازوئیل و یا گاز طبیعی استفاده کنند. اما در همه آنها انرژی آزاد شده بواسطه سوختن این مواد باعث حرکت پیستون و تولید قدرت می‌گردد. در موتورهای بخار ابتدا آب را در یک مخزن که بوسیله مواد سوختنی حرارت داده می‌شود به جوش می‌آورند، سپس این بخارهای حاصله از جوشیدن آب بوسیله یک لوله به محفظه سیلندر و بالاتر از پیستون انتقال داده می‌شوند. انرژی جنبشی مولکولهای بخار آب باعث حرکت پیستون به سمت پایین می‌شود پس از رسیدن به پایین سیلندر یک وزنه تعادل و یا میل لنگ باعث برگشتن پیستون به نقطه بالای سیلندر می‌شود و این چرخه ادامه پیدا میکند.
در موتورهای احتراق داخلی ماده سوختنی را در داخل محفظه سیلندر محترق می‌کنند. این احتراق آنقدر سریع اتفاق می‌افتد که حالت انفجاری دارد. انرژی آزاد شده در این انفجار باعث اعمال نیرو روی پیستون و حرکت دادن آن می‌شود این حرکت پیستون (در موتورهای تک سیلندر) یا پیستونها (در موتورهای چند سیلندر) بوسیله میل‌لنگ به حرکت چرخشی تبدیل می‌شود. که برای انجام کار مفید مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ساختمان موتورهای حرارتی
ساختار کلی موتورهای حرارتی مشابه است. لیکن بنابر نحوه سوزاندن ماده سوختنی و یا نوع آن یکسری متعلقات آنها با یکدیگر تفاوت میکند. ساختمان کلی این موتورها متشکل است از یک سیستم برای تغذیه و کاربوراسیون سوخت یک سیستم به منظور خنک کاری موتور ، سیستم روغنکاری موتوری ، سیستم تنظیم ورود و خروج گازها یا سیستم سوپاپها ، سیستم مشتعل کننده و سوخت و قطعات ساختمانی موتور.
قطعات موتورهای حرارتی
• سیلندر موتور: سیلندر به عنوان بدنه و ستون فقرات موتور است، تمامی قطعات را در وضعیت معین خود نگه می‌دارد و محفظه بسته‌ای را جهت حرکت پیستون و ورود و خروج گازها را فراهم می‌آورد.
• پیستون: عامل انتقال انرژی آزاد شده از مولکولهای ماده سوختنی است.
• میل لنگ : باعث تبدیل حرکت رفت و برگشتی پیستون یا پیستونها به حرکت چرخشی می‌شود.
• مانیتولدها : مجاری ورود هوا و یا خروج گازهای ناشی از احتراق هستند.
• سرسیلندر : محل قرار گیری برخی متعلقات مانند سوپاپها و نیز پوشاننده محفظه سیلندرها و متعلقات آنهاست.
• چرخ لنگر یا فلایویل : یکنواختی سرعت میل‌لنگ و انتقال توان از وظایف چرخ لنگر است.
• میل بادامک : کار زمانبندی سوپاپها را انجام میدهد.
کاربرد
کاربرد موتورهای حرارتی در تمامی جنبه‌های زندگی نمایان است که عمده آن استفاده در اتومبیلها ، کشتیها و سایر وسایل حمل و نقل است، همچنین در تولید برق و کارهای دیگر مثل پمپاژ آب می‌توان از آنها استفاده کرد.
موتور دیزل
یکی از تلاشهای قابل توجه در توسعه انواع مختلف موتورهای احتراق داخلی کار دکتر ردولف دیزل یک مهندس آلمانی بود. که ایده استفاده از گرمای حاصل از تراکم زیاد جهت اشتعال سوخت درون سیلندر را مورد بررسی قرار داد. اولین نمونه موتور دیزل در سال 1898 میلادی با موفقیت ساخته شد که در طول 40 سال پس از آن گام‌های سریعی در توسعه و استفاده از اصول دیزل در موتورهای احتراق داخلی برداشته شد.
ریشه لغوی
کلمه دیزل نام یک مخترع آلمانی به نام دکتر رودلف دیزل است که در سال 1892 نوع خاصی از موتورهای احتراق داخلی را به ثبت رساند، به احترام این مخترع اینگونه موتورها را موتورهای دیزل می‌نامند.
رودولف دیزل: تمبر یادبود دیزل
رودولف دیزل در سال 1858 در فرانسه متولد شد و کار خود را به عنوان یک کارشناس یخچال برقی آغاز کرد. برای مدت ده سال او روی موتورهای حرارتی مختلفی، از جمله موتور هوا با نیروی خورشیدی کار کرد. ایده‌های دیزل برای یک موتور وقتی احتراق در سیلندر رخ میدهد در سال 1893 منتشر شد، یک سال بعد از آن که برای اولین حق امتیازش درخواست داده بود، امتیاز 608845 را برای موتور دیزلی دریافت کرد. موتورهای دیزلی امروزی، نسخه‌های تصحیح شده و بهبود یافته از مفاهیم اصلی رودولف دیزل هستند. آنها اغلب در زیردریایی‌ها، کشتیها، لوکوموتیوها و بارکش‌های بزرگ و در دستگاههای تولیدی برقی استفاده می‌شوند.اگرچه او بیشتر به خاطر اختراع موتور گرمایی اشتعالی با فشار که اسم او را بر خود گرفته است، مشهور بود، دیزل همچنین به عنوان یک کارشناس حرارتی و یک متخصص علوم اجتماعی قابل احترام بوده است. اختراعات دیزل سه نقطه مشترک دارند: آنها برمبنای قوانین یا فرایندهای طبیعی فیزیکی به تبدیلات گرمایی مربوطند. آنها مشخصاً درگیر طراحی مکانیکی هستند و انگیزه ایجاد آنها در اصل فکر مخترع درباره نیازهای جامعه شناسی بوده است. دیزل در واقع با انگیزة قادر ساختن صنعت‌گران مستقل برای رقابت در صنعت، به ایدة موتور دیزلی رسیده است.
در Augsburg در دهم اگوست 1983، مدل اولیه دیزل، یک سیلندر آهنی ده فوتی با یک چرخ طیار در پایه‌اش، برای اولین بار با نیروی خودش به کار در آمد. دیزل دو سال دیگر را برای ایجاد اصلاحات گذراند و در سال 1896 مدل دیگری با کارآیی تئوری 75% در مقابل موتور بخار با کارآیی 15% معرفی کرد. در 1898، دیزل یک میلیونر بود. موتورهای او برای دادن نیرو به خطوط لوله‌کشی، دستگاههای الکتریکی و آبی، اتومبیلها، بارکش‌ها و کمی پس از آن در معدن‌ها، کارخانه‌ها، عرصه‌های نفتی و حمل و نقلهای اقیانوسی استفاده می‌شدند.
دید کلی
موتورهای دیزل ، به انوع گسترده‌ای از موتورها گفته می‌شود که بدون نیاز به یک جرقه الکتریکی می‌توانند ماده سوختنی را شعله‌ور سازند. در این موتورها برای شعله‌ور ساختن سوخت از حرارت‌های بالا استفاده می‌شود. به این شکل که ابتدا دمای اتاقک احتراق را بسیار بالا می‌برند و پس از اینکه دما به اندازه کافی بالا رفت ماده سوختنی را با هوا مخلوط می‌کنند.
همانگونه که می‌دانید برای سوزاندن یک ماده سوختی به دو عامل حرارت و اکسیژن نیاز است. اکسیژن از طریق مجاری ورودی موتور وارد محفظه سیلندر می‌شود و سپس بوسیله پیستون فشرده می‌گردد. این فشردگی آنچنان زیاد است که باعث ایجاد حرارت بسیار بالا می‌گردد. سپس عامل سوم یعنی ماده سوختنی به گرما و اکسیژن افزوده می‌شود که در نتیجه آن سوخت شعله‌ور می‌شود.
تاریخچه
در سال 1890 میلادی آکروید استوارت حق امتیاز ساخت موتوری را دریافت کرد که در آن هوای خالص در سیلندر موتور متراکم می‌گردید و سپس (به منظور جلوگیری از اشتعال پیش‌رس) سوخت به داخل هوای متراکم شده تزریق میشد، این موتورهای با فشار پایین بودند. و برای مشتعل ساختن سوخت تزریق شده از یک لامپ الکتریکی و یا روشهای دیگر در خارج از سیلندر استفاده میشد.
در سال 1892 دکتر رودلف دیزل آلمانی حق امتیاز موتور طراحی شده‌ای را به ثبت رساند که در آن اشتعال ماده سوختنی ، بلافاصله بعد از تزریق سوخت به داخل سیلندر انجام می‌گرفت. این اشتعال عامل حرارت زیادی بود که در اثر تراکم زیاد هوا بوجود می‌آمد. وی ابتدا دوست داشت که موتور وی پودر زغال سنگ را بسوزاند ولی به سرعت به نفت روی آورد و نتایج قابل توجهی گرفت.
طی سالهای متمادی پس از اختراع موتور دیزل ، از این نوع موتور عمدتا و منحصرا در کارهای درجا و سنگین از قبیل تولید برق ، تلمبه کردن آب ، راندن قایق‌های مسافری و باری و همچنین برای تولید قدرت جهت رفع بعضی از نیازهای کارخانجات استفاده میشد. این موتورها سنگین ، کم سرعت ، دارای یک یا چند سیلندر و از نوع دوزمانه یا چهارزمانه بودند.
پیشرفت بیشتر موتورهای دیزل ، تا توسعه سیستم‌های پیشرفته تزریق سوخت در دهه 1930 طول کشید. در این سالها رابرت بوش تولید انبوه پمپهای سوخت‌پاش خود را آغاز کرد. توسعه پمپهای سوخت‌پاش )پمپهای انرژکتور(با توسعه موتورهای کوچکی که برای استفاده در خودروها مناسب بودند متعادل شد.
موتورهای دیزل سبکتری که سرعتشان نیز بالا بود در سال 1925 به بازار عرضه شدند. با آنکه پیشرفت در ساخت این موتورها کند بود. اما در سال 1930 موتورهای دیزل قابل اطمینان که به خوبی طراحی شده‌بودند و چند سیلندر و سریع نیز بودند به بازار عرضه شد. این پیشرفت تا پایان جنگ جهانی دوم برای مدتی کند بود. لیکن از آن تاریخ تا کنون طراحی و تولید این موتورها به طریقی پیشرفت نموده است که امروزه استفاده گسترده و فراگیر از موتورهای دیزل را شاهد هستیم.
تقسیمات
موتورهای دیزل نیز مانند سایر موتورهای احتراق داخلی بر مبناهای مختلفی قابل طبقه‌بندی هستند. مثلا می‌توان موتورهای دیزل را بر حسب مقدار دفعات احتراق در هر دور گردش میل لنگ به موتورهای دیزل دوزمانه و یا موتورهای دیزل چهارزمانه تقسیم‌بندی نموده و یا بر حسب قدرت تولیدی که به شکل اسب بخار بیان می‌گردد. یا بر حسب تعداد سیلندر و یا شکل قرارگیری سیلندرها که بر این اساس به دو نوع موتورهای خطی و موتورهای V یا خورجینی تقسیم بندی می‌کردند و ...
ساختمان
ساختار موتورهای دیزل نه تنها در سیستم تغذیه و تنظیم سوخت با موتورهای اشتعال جرقه‌ای تفاوت میکند. بنابراین ساختارهای بسیار مشابهی میان این موتورها وجود دارد و تنها تفاوت ساختمانی آنها قطعات زیر است که در موتورهای دیزل وجود دارد و در سایر موتورهای احتراق داخلی وجود ندارد.
• پمپ انژکتور : وظیفه تنظیم میزان سوخت و تامین فشار لازم جهت پاشش سوخت را به عهده دارد.
• انژکتورها : باعث پودر شدن سوخت و گازبندی اتاقک احتراق می‌شوند.
• فیلترهای سوخت : باعث جداسازی مواد اضافی و خارجی از سوخت می‌شوند.
• لوله‌های انتقال سوخت : می‌بایست غیرقابل اشباع بوده و در برابر فشار پایداری نمایند.
• توربوشارژر : باعث افزایش هوای ورودی به سیلندر می‌شوند.
طرزکار
همانگونه که اشاره شد موتورهای دیزل بر اساس نحوه کارکردن به دو دسته موتورهای 4 زمانه و 2 زمانه تقسیم می‌شوند. لیکن در هر دوی این موتورها چهار عمل اصلی انجام می‌گردد که عبارتند از مکش یا تنفس - تراکم - انفجار و تخلیه اما بر حسب نوع موتورها ممکن است این مراحل مجزا و یا بصورت توام انجام گیرند.
سیکل موتورهای دیزل چهارزمانه
• زمان تنفس :
پیستون از بالاترین مکان خود (نقطه مرگ بالا) به طرف پایین‌ترین مکان خود در سیلندر (نقطه مرگ پایین) حرکت میکند در این زمان سوپاپ تخلیه بسته است و سوپاپ هوا باز است. با پایین آمدن پیستون یک خلا نسبی در سیلندر ایجاد می‌شود و هوای خالص از طریق مجرای سوپاپ هوا وارد سیلندر می‌گردد. در انتهای این زمان سوپاپ هوا بسته شده و هوای خالص در سیلندر حبس می‌گردد.
• زمان تراکم :
پیستون از نقطه مرگ پایین به طرف بالا (تا نقطه مرگ بالا) حرکت میکند و در حالیکه هر سوپاپ بسته‌اند (سوپاپ هوا و سوپاپ تخلیه) هوای داخل سیلندر متراکم می‌گردد و نسبت تراکم به 15 تا 20 برابر می‌رسد. فشار داخل سیلندر تا حدود 40 اتمسفر بالا میرود و بر اثر این تراکم زیاد حرارت هوا داخل سیلندر به شدت افزایش یافته و به حدود 600 درجه سانتیگراد می‌رسد.
• زمان قدرت :
در انتهای زمان تراکم در حالیکه هر دو سوپاپ همچنان بسته‌اند و پیستون به نقطه مرگ بالا می‌رسد مقداری سوخت روغنی (گازوئیل) به درون هوای فشرده و داغ موجود در محفظه احتراق پاشیده می‌شود و ذرات سوخت در اثر این درجه حرارت زیاد محترق می‌گردند. پس از خاتمه تزریق سوخت، عمل سوختن تا حدود 3/2 از زمان قدرت ادامه پیدا میکند.
فشار زیاد گازهای منبسط شده (به علت احتراق) پیستون را به طرف پایین و تا نقطه مرگ پایین می‌راند. حرکت پیستون از طریق شاتون به میل‌لنگ منتقل می‌شود و موجب گردش میل‌لنگ می‌گردد. در این مرحله حرارت گازهای مشتعل شده به 2000 درجه سانتیگراد می‌رسد و فشار داخل سیلندر تا حدود 80 اتمسفر افزایش می‌یابد.
• زمان تخلیه :
با رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین در مرحله قدرت ، سوپاپ تخلیه باز می‌شود و به گازهای سوخته تحت فشار اولیه اجازه میدهد سیلندر را ترک کند. پس پیستون از نقطه مرگ پایین به طرف بالا حرکت میکند و تمام گازهای سوخته را بیرون از سیلندر می‌راند. در پایان پیستون یکبار دیگر به طرف پایین حرکت میکند و با شروع زمان تنفس سیکل جدیدی آغاز می‌گردد
• .
سیکل موتور دوزمانه دیزل
در این نوع موتورهای دوزمانه سوپاپ تنفس هوای تازه ، نظیر آنچه در موتورهای چهارزمانه ذکر شد وجود ندارد. و به جای آن در فاصله معینی از سه سیلندر ، مجراهایی در بدنه سیلندر تعبیه شده است. که پیستون در قسمتی از مسیر خود جلوی آنها را می‌بندد، اصول کار این موتورها در دوزمان است، که در واقع در هر دور چرخش میل‌لنگ اتفاق می‌افتد.
• زمان اول :
پیستون از نقطه مرگ پایین به طرف بالا و تا نقطه مرگ بالا حرکت میکند. در این زمان پیستون پس از عبور از جلو مجاری تنفس هوای تازه را تاحد معینی متراکم می‌سازد. در طول این زمان سوپاپ تخلیه که در قسمت فوقانی سیلندر و در داخل سه سیلندر قرار دارد کماکان بسته مانده است.
زمان دوم :
در انتهای زمان اول مقداری سوخت روغنی (گازوئیل) به صورت پودرشده به درون هوای متراکم شده و داغ موجود در محفظه احتراق پاشیده می‌شود و ذرات سوخت محترق می‌گردد. فشار زیاد گازهای محترق شده پیستون را به طرف پایین می‌راند. پیستون در مسیر حرکت روبه پایین خود جلو مجاری تنفس هوای تازه را باز میکند. در این موقع هوای تازه به شدت وارد سیلندر می‌گردد. در همین حال سوپاپ تخلیه نیز باز می‌گردد و گازهای حاصل از احتراق بوسیله هوای تازه از سیلندر خارج می‌گردند. پس از رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین سیکل جدیدی آغاز می‌شود.
موتورهای امروزی
پس از این سالها قسمت اعظم تلاشهای مهندسان و مخترعان در بهبود و توسعه موتورهای ساخته شده بود که به صورت مختصر ذکر شدند که اکثریت این تلاشها جهت افزایش راندمان و بازدهی این موتورها بوده است البته در سال 1957 میلادی یک موتور ، پیستون گردان توسط وانکل اختراع شد که به نسبت متعلقات کمتری داشت و حجم کمتری را اشغال می‌کرد لیکن اکثریت موتورهایی که امروز مورد استفاده قرار می‌گیرند موتورهای بخار و موتورهای اشتعال جرقه‌ای و موتورهای دیزل می‌باشند.
موتورهای استرلینگ
موتور استرلینگ موتورهای گرما- کاری هستند که حرارت را تبدیل به جنبش می کنند و نسبت به موتور بنزینی و دیزلی کارآیی بیشتری دارند. امروزه چنین موتورهایی برای موردهای خاص استفاده می کنند مثل زیر دریایی یا قایق خصوصی. گازهایی که درون موتور استرلینگ استفاده می شود هرگز از موتور خارج نمی شوند. در چنین موتورهایی هیچ احتراقی صورت نمی پذیرد، هیچ اگزوزی وجود ندارد و هیچ صدای انفجاری شنیده نمی شود به همین دلیل چنین موتورهایی فاقد صدا هستند. این موتورها از منبع گرمایی خارجی مثل آتش استفاده می کنند. گرما به گاز درون سیلندر گرم شده اضافه می شود. همین امر سبب ایجاد فشار می گردد و پیستون را به سمت پائین می برد. زمانیکه پیستون راست پائین میرود پسیتون چپ به سمت بالا برده می شود. سپس گاز گرم را به سیلندر خنک شده وارد می نماید که خیلی سریع گاز را خنک می سازد و فشار آنرا پائین می آورد. پیستون سیلندر خنک شده گاز را، فشرده می سازد. گرمای ایجاد شده توسط چنین فشرده سازی توسط منبع خنک سازی خارج می گردد. موتور استرلینگ فقط نیرو را در مدت بخش اولیه چرخش بوجود می آورد. دو روش اساسی جهت افزایش نیروی خارجی چرخه استرلینگ وجود دارد: در مرحله اول، فشار گاز گرم شده بر پیستون فشار وارد می آورد. افزایش فشار در این مرحله نیروی خارجی موتور را افزایش میدهد. یک روش افزایش فشار، افزایش درجه حرارت گاز است.
موتورهای استرلینگ چگونه کار می کنند؟
موتور استرلینگ یک موتورحرارتی است که اختلاف زیادی با موتورهای احتراق داخلی در اتومبیل دارد که در سال 1816 توسط رابرت استرلینگ اختراع شد. موتور استرلینگ قابلیت بازدهی بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی و دیزلی دارد.
اما امروزه موتورهای استرلنگ فقط در برخی کاربرد های خاص مانند زیر دریاییها یا ژنراتورهای کمکی در قایق ها که عملکرد بی صدا مهم است استفاده می شود. اگر چه موتورهای استرلینگ به تولید انبوه نرسید اما برخی اختراعات پرقدرت با این موتور کار می کند.
موتورهای استرلنگ از چرخه استرلنگ استفاده می کند که مشابه چرخه های استفاده شده در موتورهای احتراق داخلی نیست.
گاز استفاده شده در داخل موتورهای استرلنگ هیچ وقت موتور را ترک نمی کند و مانند موتورهای دیزل و بنزینی سوپاپ دود که گازهای پر فشار را تخلیه می کند و محفظه احتراق وجود ندارد .به همین علت موتورهای استرلنگ بسیار بی صدا هستند .
• چرخه استرلینگ از یک منبع حراتی خارجی که می تواند هر چیزی از بنزین و انرژی خورشیدی تا حرارت ناشی از پوسیدگی گیاهان باشد استفاده کند و هیچ احتراقی داخل سیلندرهای موتور رخ نمی دهد .
صدها راه وجود دارد که یک موتورهای استرلنگ ایجاد کنیم .در این مقاله ما درمورد چرخه استرلینگ و چگونگی کار انوع مختلف این موتورمطالبی می آموزیم .
چرخه استرلینگ:
قاعده اصلی کار موتور استرلنگ این است که مقداری گاز داخل موتور محفوظ شده است .چرخه استرلینگ شامل یک سری رویداد است که فشار گاز داخل موتور را تغییر می دهد و سبب ایجاد کار می شود . چند خاصیت مهم گاز وجود دارد که برای عملکرد موتورهای استرلنگ مهم است :
• اگر مقداری گاز محبوس در یک حجم ثابت از فضا داشته باشید و شما به آن گاز حرارت بدهید , فشار گاز افزایش خواهد یافت .
• اگر مقداری گاز محبوس داشته باشید و آن را فشرده کنید (حجم آن را در فضا کاهش دهید ) ، دمای آن گاز افزایش خواهد یافت .
اجازه دهید به هر کدام از مراحل سیکل استرلینگ ، هنگامی که به موتور ساده شده استرلینگ نگاه می کنیم برویم .
موتور ساده شده ما از دو سیلندر استفاده می کند. یک سیلندر به وسیله ی یک منبع خارجی گرما، گرم می شود (مثل آتش) ودیگری به وسیله ی یک منبع سرد خارجی ، سرد می شود (مثل یخ ).محفظه گاز دو سیلندر به هم متصلند ، وپیستون ها به طور مکانیکی به وسیله ی یک اتصال که چگونگی حرکت انها را معین می کند به یکدیگر متصلند .
دو پیستون در انیمیشن بالا تمام مراحل سیکل را انجام می دهند .
سیکل استرلینگ 4 مرحله دارد :
-1 حرارت به گاز داخل سیلندر گرم منتقل می شود (چپ) و سبب ایجاد فشار می شود این فشار پیستون را مجبور می کند تا به سمت پایین حرکت کند و این قسمتی از سیکل استرلینگ است که کار انجام می دهد .
-2 هنگامی که پیستون راست به طرف پایین حرکت میکند پیستون چپ بالا می آید .این جابجایی گاز داغ را به داخل سیلندر سرد می راند ، که به سرعت گاز داخل منبع سرد را ، سرد می کند و فشار آن کاهش می یا بد .این عمل فشرده کردن گاز را در قسمت بعدی سیکل ساده تر می کند .
- 3 پیستون داخل سیلندر سرد (راست) شروع به فشرده کردن گاز می کند و گرمای تولید شده توسط این متراکم سازی به وسیله ی منبع سرد حذف می شود .
-4 هنگامی که پیستون چپ پایین می رود پیستون سمت راست بالا می آید .این عمل گاز را به داخل سیلندر گرم می راند ،که به سرعت گرم شده و فشار ایجاد می کند .در این هنگام سیکل تکرار می شود .
موتوراسترلنگ فقط در طول مرحله اول سیکل نیرو تولید می کند . در این جا دو روش برای افزایش قدرت خروجی از سیکل استر لیتگ وجود دارد :
• افزایش قدرت خروجی در مرحله اول : در مرحله اول سیکل، فشار گاز گرم، پیستونی که کار انجام می دهد را می راند ، افزایش فشار در طول این قسمت از سیکل قدرت خروجی موتور را افزایش می دهد .یک راه افزایش فشار، افزایش دمای گاز است . هنگامی که ما بعدا به دو پیستون موتور استرلنگ در این مقاله نگاه کنیم خواهیم دید که چگونه یک وسیله که ریجناتور نامیده می شود قدرت خروجی موتور را به وسیله ی حرارت ذخیره شده ی لحظه ای بهبود می بخشد .
• کاهش قدرت استفاده شده در مرحله 3 :در مرحله سوم سیکل ، پیستون روی گاز کار انجام می دهد و از قسمتی ازکار ایجاد شده در مرحله اول استفاده می کند . کاهش فشار در طول این مرحله از سیکل، می تواند قدرت استفاده شده در این مرحله را کاهش دهد (و به طور موثر قدرت خروجی افزایش می یابد ). یک راه کاهش فشار سرد کردن گاز در دمای پایین تر است .
این بخش سیکل ایده آل استرلینگ را توضیح داد .کار واقعی موتور به دلیل محدودیتهای طراحی فیزیکی مقداری با سیکل ایده آل اختلاف دارد .
در دو قسمت بعدی ما نگاهی به دو نوع مختلف موتورهای استرلنگ می کنیم .تحلیل نوع جابجا شونده موتور ساده تر است بنابراین ما این نوع را شروع می کنیم .
نوع جابجا شونده موتور استرلینگ :
به جای داشتن دو پیستون ،نوع جابه جا شونده یک پیستون دارد که جابه جا می شود .جابه جا کننده برای کنترل موقعی که مخزن گاز گرم و یا موقعی که سرد است به کار می رود .این نوع موتور استرلینگ اغلب به صورت نمایشی در کلاس درس استفاده می شود .شما حتی می توانید قطعات آنرا برای سر هم کردن بخرید .
به عبارتی حرکت موتور بالا مستلزم یک اختلاف دما بین بالا و پایین سیلندر بزرگ است . در این مورد ، اختلاف بین دمای دستتان و هوای اطراف آن برای چرخش موتور کافی است
در این موتورها :
-1 پیستون قدرت :که پیستون کوچکتر در بالای موتور است و به طور محکم محفوظ شده است وبه علت انبساط گاز داخل موتور بالا می آید .
-2 جابه جا کننده :که پیستون بزرگ در تصویر است .این پیستون در داخل سیلندر بسیار آزاد است بنابراین هوا به سادکی بین قسمت گرم و سرد موتور هنگامی که پیستون بالا و پایین می رود می تواند حرکت کند .
جابه جا کننده بالا و پایین می رود تا گاز داخل موتور گرم و سرد شود .دو موقعیت برای این حالت وجود دارد :
• هنگامی که جابه جاکننده نزدیک بالای سیلندر بزرگ است بیشتر گاز داخل موتور توسط منبع گرم ، گرم و منبسط شده است و فشار ایجاد شده درداخل موتور، نیروی بالا برندگی پیستون را ایجاد می کند .
• هنگامی که جابه جاکننده نزدیک کف سیلندر بزرگ است بیشتر گاز داخل موتور سرد و متراکم شده است که سبب افت فشار می شود و پایین آمدن پیستون قدرت را ساده تر می کند و گاز فشرده می شود .
موتور مکرر گاز را گرم وسرد می کند و از گاز منبسط و منقبض شده انرژی دریافت می کند .ما نگاهی به موتور استرلینگ دو پیستونه خواهیم داشت .
موتور استرلینگ دو پیستونه:
در این موتور ،سیلندر به وسیله ی مشعل خارجی گرم می شود . سیلندر سرد با جریان هوا سرد شده و در آن بالا و پایین می رود تا به فرایند سرد شدن کمک کند . میل رابط هر پیستون به یک دیسک کوچک متصل است که در حال چرخیدن به یک فلایویل بزرگ متصل است و هنگامی که نیرویی توسط موتور تولید نمی شود باعث تداوم حرکت پیستون می شود .
-1 در قسمت اول سیکل ، فشار تولید می شود و پیستون را به حرکت به سمت چپ مجبور می کند و کار صورت می گیرد . پیستون سرد چون در موقعیتی است که در حرکت خود تغییر جهت خواهد داد تقریبا ساکن باقی می ماند .
2 - در مرحله بعدی ، هر دو پیستون حرکت می کنند ،پیستون گرم به سمت راست و پیستون سرد به سمت بالا حرکت می کند . این عمل گاز را بیشتر به سمت رجیناتور و پیستون سرد حرکت می دهد .رجیناتور وسیله ای است که به طور موقت حرارت را می تواند ذخیره کند و از شبکه سیمی که گاز گرم از بین آن عبور می کند ساخته شده است .سطح بزرگ شبکه سیمی، حرارت را جذب می کند وآن را به آرامی به محیط سرد می دهد .
-3 پیستون در سیلندر سرد شروع به متراکم کردن گاز می کند .گرمای ایجاد شده توسط این تراکم به واسطه ی سطح سرد از بین می رود .
-4 در آخرین مرحله سیکل هر دو پیستون حرکت می کنند ، هنگامی که پیستون گرم به سمت چپ حرکت می کند پیستون سرد به سمت پایین حرکت می کند .
این عمل گاز اطراف رجیناتور (جایی که در طول سیکل قبلی گرما را ذخیره کرده بود ) را به داخل سیلندرگرم می راند .در این لحظه سیکل دوباره تکرار می شود.
شما ممکن است از اینکه هیچ درخواستی برای تولید انبوه موتور استرلینگ نبوده است تعجب کرده باشید .
چرا موتورهای استرلینگ متداول نیستند؟
دو ویژگی وجود دارد که ساخت موتورهای استرلینگ را برای استفاده در بسیاری از کاربردها مانند بسیاری از ماشین ها و کامیون ها غیر عملی می کند .
به دلیل اینکه منبع حرارت در خارج است برای موتور مقداری طول می کشد تا به تغییرات گرمایی داخل سیلندر عکس العمل نشان دهد. برای انتقال حرارت بین دیواره های سیلندر و گاز داخل موتور زمانی صرف می شود . این بدین معناست که :
•موتورقبل از اینکه کار مفید را ایجاد کند به مقدارزمانی نیاز دارد تا گرم شود .
• موتور نیروی خروجی اش را نمی تواند به سرعت تغییر دهد .
این نقایص باعث شده است که این موتور با موتورهای احتراق داخلی اتومبیل جایگزین نشود. هر چند که وجود موتور استرلینگی که به ماشین هیبریدی نیرو می دهد امکان پذیر است .
موتورهاي استرلينگ عليرغم مزاياي ويژه اي که نسبت به موتورهاي احتراق داخلي دارند، داراي اين عيب عمده هستند که به خاطر نحوه انتقال انرژي گرمايي، توان مورد نياز را با تاخير تامين مي کنند. کندي عکس العمل موتورهاي استرلينگ در مقابل تغييرات بار ورودي باعث محدوديت کاربردهاي صنعتي آنها خاصه در مواردي که نظير خودرو، نياز به تغييرات سريع بار وجود دارد گرديده است. مقاله حاضر روشي را براي اين حل مشکل در کلاس وسيعي از موتورهاي استرلينگ ارايه مي نمايد. در اين مقاله طراحي سيستم کنترلي، بر روي مدل رياضي غير خطي موتور استرلينگ نوع گاما که با استفاده از نتايج تجربي به دست آمده، اعمال شده است. سيستم کنترلي پيشنهادي بر مبناي تنظيم دو عامل دما و فشار به عنوان ورودي هاي کنترلي طراحي و ارايه شده است. نشان داده شده است که اين سيستم دو ورودي – يک خروجي، توانايي پاسخگويي به تغييرات سريع توان را دارد
در موتورهاي استرلينگ، علت اصلي كندي عكس العمل موتور نسبت به تامين توان مورد نياز آن است كه تامين انرژي سيستم به وسيله انتقال انرژي حرارتي از طريق پوسته گرمكن به گاز عامل داخل سيلندر انجام مي شود. چون انتقال انرژي حرارتي از طريق پوسته به كندي انجام مي شود، برخلاف اكثر سيستمهاي كنترلي، درموتورهاي استرلينگ عملگر سيستم خود داراي بيشترين تاخير زماني است. ، به منظور افزايش سرعت عكس العمل موتور استرلينگ به تغييرات توان مورد نياز، علاوه بر وروديهاي كنترلي دما و فشار، سرعت پيستون جابجايي نيز در نظر گرفته شده است. به اين ترتيب، سيستم كنترلي نخست درشرايط دما ثابت، براساس توان مورد تقاضا، ازجداول سرعت- توان، سرعت مناسب موتور را انتخاب مي نمايد. اين سرعت در ابتدا توسط يك موتور الكتريكي كمكي DC تامين مي شود. سپس، با مقايسه سيگنال خروجي، توان حاصله با توان مورد نياز، فرامين كنترلي براي تنظيم فشار و دماي گاز عامل تعيين مي شوند. در مدلسازي موتور استرلينگ فرض ايزوترم بودن فرايند حذف شده است تا رفتار مدل به موتور واقعي نزديكترباشد. نتايج شبيه سازي سيستم مدار بسته با كنترلر طراحي شده نشان دهنده افزايش موثر سرعت عكس العمل موتور است. همچنين، نشان داده شده كه سيستم كنترلي در مقابل اغتشاشات خارجي و داخلي نيز مقاوم است. اين اغتشاشات به صورت تغيير در دماي منبع سرد و تغيير در پارامترهاي سيستم اعمال شده است. به دليل ثابت بودن گشتاور موتور هاي استرلينگ در محدوده وسيعي از سرعت، در سيستم كنترلي فرض شده راندمان موتور كمتر دستخوش تغيير مي شود
دانشمندان تلاش ميكنند موتورهاي گرمايي را به بالاترين بازده ممكن يعني بازده كارنو ( بازدهي كه موتور گرمايي بتواند بدون اتلاف انرژي در جهت عكس(يخچال) هم كار كند يعني يخچالي كه به همان خوبي اي كه يخچال است بتواند موتور هم باشد يا بر عكس !) برسانند.موتور استر لينگ نمونه عيني قانون ترموديناميك در مورد موتورهاي گرمايي است( حتي بهتر از موتور بخار پيستوني) چون دقيقآ همان تعاريفي كه در ترموديناميك از ان مي شود را مي توان بدون هيچ تغييري در مورد موتور استرلينگ به كار برد( مثلآ موتورهاي چهار زمانه كار براتوري مرحله تخليه را مترادف بامرحله سرد شدن گاز محبوس( ! در ترموديناميك گاز كاري يا سيستم درون استوانه اي محبوس شده و هيچ ارتباط مستقيمي با محيط بيرون ندارد ضمن اينكه در شرايط ايدئال هميشه گاز در تعادل(شرايط استاندارد)است)در نظر مي گيريم) ولي در موتور استرلينگ واقعآ گاز محبوس را سرد مي كنيم و احتياج به هيچگونه تطبيق دادن فرايند ها و فرض انگاري نيست.
پس موتور استرلينگ براي ياد گيري اصول ترموديناميك مدلي بسيار عالي است به همين خاطر در كشورهاي غربي براي يادگيري بهتر اصول ترموديناميك دانش اموزان را با اين موتورها اشنا مي كنند ومثلآ دانش اموزان ترغيب مي شوند كه خودشان با وسايل ابتدايي مانند قوطيهاي كنسروو..كار دستي هايي از موتورهاي استرلينگ بسازند وقتي بچه ها مي بينند موتوري كه با دست خودشون ساخته اند و سر كلاس معلم قواعد حاكم بر ان را توضيح داده واقعآ كار مي كند اشتياق به يادگيري زيادي درونشان به وجود مي آید.
به عنوان يك مدل مي توان گفت يخچال شما توسط يك موتور استرلينگ كار ميكند
قبلآ گفته بودیم كه پمپها وموتورهاي شيميايي و به طور كلي انبساطي داراي اصول كار كرد يكساني هستندواقعآ مهيج است وقتي مي بينيد مطالب تئوري اينگونه و بدون هيچ اشتباه و خطايي به عمل تبديل مي شوندصرفآ با چند فرمول و قاعده كه بر مبناي اصول رياضي است در اكثر مورد وسيلهاي اختراع مي شود و سپس قوانين و فرمولها براي توجيه رفتار ان كشف مي شوند ولي اينكه از رابطه يا فرمولي وسيله اي ساخته شود كاري به مراتب مشكلتر است و فقط از پس افراد خاصي بر مي ايد...
موتور دیزلی تنها در محلی كه هوا وجود دارد، می تواند كاركند. موتور دیزلی، صدایی بسیار بلند تولید می كند كه برای زیردریایی بسیار نامناسب است. زیردریایی ها در هنگام غوطه ور شدن، از باتری هایی كه تنها برای یك روز قابلیت شارژ دارند، استفاده می كنند. موتورهای اتمی این محدودیت ها را ندارند، اما شركت سوئدی تولید كننده زیردریایی كوكافر AB راه حل دیگری را پیشنهاد می كند.این سازنده، موتورهای استرلینگ را درون تولیدات خود نصب می كند. این موتورها نیروی لازم را برای نیازهای الكتریكی زیردریایی ها فراهم می كنند. این طرح موتور نیازی به هوا ندارد و در همین حال دیزلی است و ذخیره اكسیژن را با خودش حمل می كند. به گفته لارس لارسون، مدیر بخش استرلینگ شركت، این زیردریایی می تواند هفته ها زیر آب بماند. برخلاف موتورهای دیزلی دیگر، موتور استرلینگ بسیار بی سروصدا كار می كند. موتور استرلینگ در نوع خود پدیده ای شگرف است، شاید به این دلیل است كه تعداد كمی از آنها در اطرافمان وجود دارند. هنگامی كه این گونه موتور اختراع شد، در قیاس با موتورهای بخار امنیت بیشتری داشت، اما با ظهور موتورهای درون سوز از وجهه آنها كاسته شد. با این حال، آنها هیچ گاه از رده خارج نبوده اند. سیكل استرلینگ در اسباب بازی های ساخت شركت «آمریكن استرلینگ»، با گرمای دست كار می كنند. موتورهای استرلینگ در خنك كننده های انجمادی و تولید نیرو در بخش های خاصی از صنعت به كار می روند، اما در ماه های اخیر، خبرهایی به گوش می رسد كه نشان دهنده فزونی توجه به این موتورها است. توسعه دهندگان موتورهای استرلینگ می گویند كه موتورهای آنها بازده انرژی بالایی دارند و دوام آنها از دیگر انواع موتورهای با كاركرد یكسان بیشتر است. این موتورها ساكت و آرام كار می كنند، زیرا سیكل های استرلینگ برخلاف موتورهای درون سوز، نیازی به انفجار سوخت برای به حركت درآوردن پیستون ها ندارند. تنها نیاز آن حرارت دائمی است. تفاوتی ندارد كه این حرارت از آتش مواد نفتی، شیمیایی، واكنش هسته ای و یا نور خورشید گرفته شده باشد. هنگامی كه دكتر رابرت استرلینگ در سال ۱۸۱۶ موتوری را كه اكنون به نام او خوانده می شود، به ثبت رسانید،او انتظار داشت نتیجه ای درخور، از تلاش های خود بگیرد. قصد او این بود كه راه حل جانشین امنی برای بویلرهای بخاری كه بر اثر ساخت بد مخازن، كاركنان اطراف آن را به كشتن می داد، بیابد. گازی كه درون سیلندر محبوس میشد در اثر فشار به بدنه، منفجر شده و افراد کشته می شدند.
رودولف كلازيوس (1888 – 1822) نخستين كسي بود كه در علم ترموديناميك مبحث آنتروپي را وارد كرد همان طور كه مي‌دانيد آنتروپي يك سيستم كه با مشخص مي‌شود از تقسيم گرمايي كه سيستم مي‌گيرد بر دماي كل سيستم بدست ميآيد: وي بيان كرد كه ماشين در حالت آرماني آنتروپي برابر صفر دارد يعني: و در مورد ماشينهاي غير آرماني آنتروپي با گذشت زمان افزايش مي‌يابد او قانون دوم ترموديناميك را با مبحث آنتروپي فرمولبندي كرد و دو قانون را در سال 1850 با اين عبارت بيان كرد: انرژي جهان ثابت مي‌ماند اما آنتروپي آن مايل است كه به حداكثر برسد.
چرخه كارنو
همواره، به دنبال گرفتن بيشترين مقدار كار از مقدار گرماي معيني هستيم كه از چشمه گرم به ماشين گرمايي داده مي‌شود. با اين حال هرگز نمي‌توان ماشين گرمايي ساخت كه بازده نظري آن %100 باشد. اما آيا مي‌توان چرخه‌اي را پيدا كرد كه وقتي ماشين گرمايي كه بين دو دماي TC و TH كار ميكند، بيشترين كارايي را داشته باشد؟ مفهوم آن اين است كه از مقداري انرژي گرمايي با دماي TH توسط يك چرخه ترموديناميكي، حداكثر چه مقدار كار مكانيكي مي‌توان گرفت؟ جواب اين سوال چرخه كارنو است. چرخه كارنو چرخه‌اي است كه بيشترين كارايي را دارد. چرخه كارنو از دو فرآيند همدما و فرآيند بي دررو تشكيل شده است.
ماده كاري ماشين كارنو، گاز كامل است.
گاز در مسير ab در دماي ثابت TH گرماي QH را از چشمه گرم مي‌گيرد و به طور هم دما منبسط مي‌شود.
در مسير bc ماده كاري به طوربي دررو مي‌شود و به دماي TC مي‌رسد.
در مسيرcd ، گاز كامل به طور همدما در دماي ثابت TC و با دادن گرماي QC به چشمه سرد متراكم مي‌شود.
در مسير da نيز ماده كاري به طور بي‌دررو متراكم مي‌شود و دمايش به TH مي‌رسد.
در چرخه كار نو رابطه روبرو برقرار است:
با توجه به كارايي:
علاوه بر ماشينهاي گرمايي كه مي‌توانند چرخه كارنو را طي كنند، يخچالها نيز مي توانند چرخه كارنو را طي نمايند كه به اين يخچالها، يخچال كارنو گفته مي‌شود.
چند سخن برادرانه و خودمونی:
شما اگر بخواهيد مطمئن باشيد مي تونيد بدون دانشگاه رفتن يك متخصص طراح موتورخيلي ماهر باشيد درست است كه براي طراحي حتي يك موتور چهار زمانه نسبتآ ساده به چند صد نفر نياز داريم تا هر كدام كار بخصوصي را انجام بدهند ولي حتي يك نفر متخصص هم مي تونه كار همه ي اونها را انجام بده به شرطي كه مهارتهاش را طي سالها روز به روز زياد كنه تا بالاخره در اين زمينه متخصص شود اگر سالها پيش حتي يك نفرايراني خودش را وقف موتور كرده بود الان مجبور نبوديم يك موتور با فناوري سطح متوسط اروپاي فعلي را موتور ملي خودمون بناميم در صورتي كه اصلا مي تونيم اونرا موتوري الماني بناميم من اصلآ نميخوام قدر نشناسي از زحمات محققان كشورمون كنم ولي حقيقت تلخ اينه كه در ايران چنين فردي كه بتونه فناوري طراحي موتور رابراي ايران بومي كنه نيست حالا شما ميتونيد از همين حالا مهارتهاي طراحي خودتون را تقويت كنيد تا انشاالله بتونيم دين خودمون را به كشورمون ادا كنيم اولين كار دادن طرح اوليه است كه ميتونه مال خودتون باشه يا كس ديگري
ابتدا اصول كاركرد موتور را مشخص كنيد و ببينيد ايا تا بحال چنين موتوري ساخته شده وپس از ساختن نمونه ي اوليه و مطمئن شدن ازكار كرد صحيح ان شروع كنيد به بهينه سازي طرح اوليه پس از كامل شدن بهينه سازي و طراحي اوليه كليه اجزاشروع مي كنيم به طراحي دقيق اجزاء امروزه با وارد شدن نرم افزارهاي بسيار قوي در زمينه ي شبيه سازي واناليز كارها بسيار سريعتر و دقيقتر انجام مي شودولي بازهم مجبوريد در بسياري مواقع از همان روشهاي سنتي استفاده كنيد در زمينه ي موتور شما به دو دانش اصلي تر موديناميك و ديناميك بايد احاطه ي كامل داشته باشيد و همچنين با يد رياضيات خودتون را بخصوص در زمينه ي حل معادلات ديفرانسيلي قوي كنيداين دروس بيشتر در دانشگاهها شامل دروس: مكانيك سيالات،تر موديناميك،مقامت مصالح،طراحي اجزاء ديناميك ،ارتعاشات،طراحي مكانيزمها.. مي باشد.
براي تمرين يك قطعه رادر نظر بگيريد مثل ميل لنگ ابتدا حركت انرا در كل مجموعه بررسي كنيد بينيدچند درجه ازادي دارد نقاط تكيه گاهي و قيد ان كجاست حدس بزنيد به چه قسمتهايي بار بيشتري وارد مي شوندچه قسمتهايي ميتونند باعث ارتعاش شديتري در سيستم شونداگر مي تونيد با فرملهايي كه بلديد نقاط بحراني سيستم را پيدا كنيدو هر قطعه اي را جدا گانه طراحي كنيدو اگر با نرم افزار ها اشنايي داري انها را تحت تنشهاي استاتيك ديناميكي و حرارتي قرار دهيد من هميشه در منزلم يك موتور همراه با كوليس ميكرو متر و ساعت اندازه گيري دارم در مواقع بي كاريم به سراغشون مي رم دقيقآ قطعات اونرواندازه گيري مي كنم و فكر مي كنم كه چرا مثلآ قطر اينجا بيشتر است و قطر اينجا كمتروچرا فلان قطعه اين شكل را داردو...و سعي مي كنم با فرمولهايي كه بلدم قطعه مورد نظرم را طراحي كنم و بعضي مواقعكه نتيجه مطلوب نمي رسم به مراجع ديگر رجوع مي كنم.به اين صورت در علم طراحي پيشرفت زيادي پيدا مي كنيدو به جايي مي رسيد كه با ديدن هر موتوري نقاط ضعف و قوت طراحي اش برايتان نمايان مي شودو با مواجه شدن با طرحهاي جديد آنآ چهار چوب و روند طراحي ان برايتان نمايان مي شود. رفتار سوخت را در موقع واكنش بررسي كنيد ضربه انفجار اونرو پيداكنيد و اثراتش را بر محفظه ي احتراق اگر مي تونيد با نرم افزار بدست بياريد.
بهترين شكل و جنس را براي قطعات پيدا كنيد همه ي قطعات طراحي شده را ادغام كنيدو بهينه ترين حالت را پيدا كنيدشايد چيزي كه به دست مي اوريد اصلآ با واقعيت صدق نكند ولي شما چيزهاي زيادي ياد مي گيريدچون مجبوريد به منابع زيادي رجوع كنيدتا به پرسشهايي كه در ذهنتان بوجود امده پاسخ دهيد و جسارت طراحي قطعات جديد درونتان بوجود مي ايد.
اگر بازم خواستيد پيش بريدو مشخص كنيد چه قطعاتي را نمي توان به سادگي ساخت ويا ساختشون گرون تموم مي شه اگه مي تونيد اونرا طوري طراحي كنيدكه بشه راحت ساختش وگرنه يكم بررسي كنيد ببينيد مي تونيد اجزاء ديگر را طوري تغير دهيد كه بتونيداون قطعه را دوباره طراحي كنيد و اگر بازم نشد ببينيد گرون تموم شدن قطعه بهتره يا طراحي مجدد مكانيزم و بالاخره طرحتون را كامل كنيد لازم نيست از قطعات پيچيده شروع كنيدمي تونيد از مكانيزمهاي كاملآ ساده واستاتيك شروع كنيد.
در ابتدا شايد سردر گم باشيدو اصلآ ندونيد بايد چكار كنيدولي كم كم راه مي افتيد.
کاری از:
مهدی حجتی
زمستان 1388
