موتور درون‌سوز

پویانمایی عملکرد یک موتور دوزمانه با لوله اگزوز
موتور چهارزمانه (موتور اتو)۱. مکش۲. تراکم۳. احتراق۴. تخلیه
موتورهای درون‌سوز یا موتورهای احتراق داخلی به موتورهایی گفته می‌شود که در آن‌ها مخلوط سوخت و اکسیدکننده (معمولا هوا یا اکسیژن) در داخل محفظه بسته‌ای واکنش داده و محترق می‌شوند. بر اثر احتراق گازهای داغ با دما و فشار بالا حاصل می‌شوند و بر اثر انبساط این گازها قطعات متحرک موتور به حرکت درآمده و کار انجام می‌دهند. هرچند غالبا منظور از به‌کار بردن اصطلاح موتورهای درون‌سوز، موتورهای معمول در خودروها می‌باشند، با این حال موتورهای موشک و انواع موتورهای جت نیز مشمول تعریف موتورهای درون‌سوز می‌شوند.
موتور درون‌سوز، یک وسیله گردنده است که در خودروها، هواگردها، قایق موتوری، موتورسیکلتها و صنایع کاربرد دارد. بدون بهره‌گیری از موتورهای درون‌سوز، اختراع و ساخت هواپیماها ممکن نبود.
تا پیش از پرواز نخستین هواپیمای جت در سال ۱۹۳۹، نیروی محرکه تمام هواپیماها در واقع توسط موتورهای درون‌سوز تامین می‌شد.
نخستین موتور درون‌سوز چهارزمانه توسط نیکلاس اوگوست اوتو، مخترع آلمانی ویلیام وگنر و در سال ۱۸۷۶ ساخته‌شد.
انواع
موتور درون‌سوز اتو
فناوری‌های استفاده شده در پیشرانه اتومبیل‌ها در طول تاریخ صنعت خودروسازی دچار تغییرات فراوانی شده‌است اما یکی از سیستم‌های ماندگار در این صنعت موتورهای احتراق داخلی یا درون‌سوز بوده‌است.
با گذشت زمان و حتی تولید موتورهای احتراق خارجی، هنوز می‌توان خودروهای درون سوزی را دید که به صورت انبوه در حال تولید هستند. پدر تمام موتورهای احتراق داخلی را می‌توان نیکلاس آگوست اتو دانست که در سال ۱۸۷۶ اولین نمونه از موتورهای احتراق داخلی را اختراع کرد. بر اساس گفته این مهندس آلمانی، مکانیزم این موتور درون سوز از روی دستگاه بخار جیمز وات الهام گرفته شده بود. پیشرانه طراحی شده توسط آگوست اتو قادر بود چهار مرحله مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را به صورت مداوم انجام دهد. البته آن زمان موتورهای احتراق داخلی هنوز مناسب خودروها نبودند، زیرا با افزایش میزان سوخت فرم احتراق‌ها به انفجار تغییر می‌کرد و خیلی سریع موتور دچار سوختگی می‌شد.
سال‌ها بعد جوزف دی اقدام به ساخت موتور درون سوز دو مرحله‌ای کرد و این موتور توانست مشکل اشتعال پیشرانه چهار مرحله‌ای اتو را برطرف کند. موتور دو زمانه به شکل رفت و برگشت عمل می‌کرد . در موتور طراحی شده توسط جوزف دی، مراحل انفجار، دم و بازدم به عنوان یک مرحله و ترکیب تخلیه و تراکم به‌عنوان مرحله بعدی صورت می‌گرفت. این موضوع باعث می‌شد انفجار صورت گرفته جدا از فرایند تخلیه انجام شود و احتراق گسترش پیدا نکند.
موتور چهارزمانه: این موتورها برای هر انفجار (مرحله تبدیل انرژی سوخت به انرژی مکانیکی) بایستی چهار مرحله مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را انجام دهند.
موتورهای دوزمانه: این موتورها در هر دور چرخش دارای یک انفجار هستند. این کار با ترکیب کردن مراحل انفجار و دم و بازدم به‌عنوان یک مرحله و ترکیب تخلیه و تراکم به‌عنوان مرحله بعدی صورت می‌گیرد.
موتور درون‌سوز دیزل
موتور دیزل گونه‌ای موتور درون‌سوز است که در آن از چرخه دیزل برای ایجاد حرکت استفاده می‌شود. فرق اصلی آن با موتور اتو ایجاد احتراق در اثر تراکم است. یعنی انفجار بر اثر تراکم سوخت و هوا بدون نیاز به جرقه زنی می‌باشد (سیستم احتراق داخلی دیزل).
موتورهای دیزلی به‌طور کلی راندمان سوخت بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی دارند. موتورهای دیزل اتومبیل‌های مسافربری بهره وری انرژی به‌طور معمول 30٪می‌باشد و تا 41٪ می‌رسد و موتورهای بنزینی بیشتر به‌طور معمول 20٪می‌باشد وتا 37.3٪،میرسد
موتور درون‌سوز وانکل
موتور دورانی که مخترع آن دکتر فلیکس وانکل بود، گاهی موتور وانکل یا موتور دورانی وانکل نامیده می‌شود. اجزای اصلی آن روتور، محفظه روتور، محور خروجی، شمع جرقه زنی، قطعات آبندی می‌باشد. در موتور وانکل مانند موتورهای بنزینی چهار زمانه مخلوط هوا و بنزین وارد محفظه بزرگی از موتور می‌شود سپس با کم شدن حجم آن مخلوط هوا و بنزین تحت فشار قرار گرفته و با ایجاد جرقه به وسیله شمع انفجار حاصل می‌شود، مولکول‌های گاز در اثر احتراق منبسط می‌گردند و فشار محفظه تراکم به شدت بالا می‌رود و نیروی حاصل از آن به روتور اعمال شده و به علت اختلاف مرکز دوران بین روتور و میل لنگ نیروی چرخشی در روتور ایجاد می‌گردد. این نیروی چرخشی به بادامک محور لنگ که در داخل روتور قرار دارد، وارد شده و به فلایویل و سیستم انتقال قدرت می‌رسد.
موتور دو زمانه
موتور درون‌سوزی که ۲ فرایند اصلی دارد. (۱- مکش سوخت + انفجار یا احتراق سوخت) .(۲- تراکم سوخت+خروج دود)
موتور چهار زمانه
موتور درون‌سوزی با چهار فرایند اصلی ۱-مکش سوخت ۲- تراکم ۳-احتراق ۴- خروج دود است.
موتور شش زمانه
موتور درون‌سوزی بر اساس موتور چهار زمانه با افزایش فرایند و کارکرد نسبت به آن و با ۶ عمل در چرخه فرایند است.
چرخه اتکینسون
موتورهای دوار بدون پیستون
به موتورهایی که پیستون ندارند و به جای آن روتور دارند که به صورت دورانی حرکت می‌کند اطلاق می‌شود مانند موتور وانکل و موتور شبه توربین. این نوع موتورها در پهپاد نیز استفاده می‌شوند
موتور شبه توربین
موتور شبه توربین خیلی شبیه موتور دورانی است، یک روتور درون بدنه تقریبا بیضی شکل می‌چرخد. موتور شبه توربین روتور چهار جزیی دارد. گوشه‌های روتور با بدنه به خوبی آب‌بندی شده‌اند و نیز گوشه‌های روتور نسبت به بخش داخلی آب‌بندی‌اند. در نتیجه چهار محفظه مجزا تشکیل می‌شود.
موتورهای احتراق پیوسته
به موتورهایی که عمل احتراق به صورت منظم و پیوسته انجام می‌شود مانند موتورهای راکت و انواع موتور جت و توربین گازی گفته می‌شو.
موتورهای احتراق ناپیوسته
به موتورهایی که عمل احتراق به صورت متناوب انجام می‌شود مانند موتورهای پیستونی و پالس جت و موتور وانکل گفته می‌شود.
توربین گازی
موتور جت (شامل توربوجت، توربوفن، توربوشفت، توربوپراپ، رم‌جت، موشک، …)
شیوه کار
موتور موشک یک موتور درون‌سوز است که برای کار کردن، نیازی به هوای بیرون ندارد. موشک هم سوخت و هم ماده اکسیدکننده را با خود حمل می‌کند. این دو ماده با هم در اتاقک احتراق بسته به نوع و حالت فیزیکی سوخت ترکیب شده و باهم می‌سوزند و گازهای داغی تولید می‌کنند که از طریق دهانه خروجی تخلیه می‌شوند. درون اتاقک احتراق، گازهای داغ بر تمام جهات فشار می‌آورند.
اگر اتاقک کاملا مسدود باشد، فشار در تمام جهت‌ها یکسان خواهد بود و موشک حرکت نخواهد کرد. اما اتاقک احتراق چنان ساخته می‌شود که این گازها با سرعت زیاد از دهانه خروجی تخلیه شوند. این کار باعث می‌شود که فشار گاز در تمام جهت‌ها یکسان نباشد؛ چون فشار واردشده به طرف جلو بسیار بیشتر از طرف عقب است، موشک به سمت جلو حرکت می‌کند. این حرکت، از قانون سوم نیوتن پیروی می‌کند: «برای هر عمل، عکس‌العملی وجود دارد برابر و در جهت مخالف». در موشک، گازهای در حال فوران از دهانه خروجی، عمل و فشار رو به جلو یا پیشرانش، عکس‌العمل است. چون موشک سوخت و اکسیدکننده را با خود حمل می‌کند، و از آن‌جا که قانون سوم نیوتن در همه جا صدق می‌کند، پس موشک می‌تواند هم در جو زمین و هم در خلاء فضا حرکت کند.
سامانه جرقه‌زنی موتور اتو
سامانه جرقه‌زنی وظیفه دارد در زمان معین یک جرقه الکتریکی برای سوختن آمیزه‌ای از سوخت و هوا در موتورهای احتراقی ایجاد کند در موتور درون‌سوز نوع رفت و برگشتی یا همان پیستونی، جرقه در انتهای کورس تراکم کمی پیش از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا زده می‌شود. اجزا این سامانه شامل شمع، وایر شمع، دلکو، کویل، باتری می‌باشد.
ویژگی‌ها
بر خلاف موتورهای خودروی برقی، موتور درون‌سوز دارای صدها قطعه متحرک است.
مواد مصرفی موتورهای درون‌سوز نیز مانند روغن، روغن گیربکس و مایع خنک‌کننده برای طبیعت موادی آلاینده هستند.
موتور برون سوز
حجم موتور
موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن