مبانی موتور بنزینی (SI)
مبانی موتور بنزینی(SI)
موتور بنزینی یا احتراق-جرقه‌ای داخلی (SI) از چرخه اتو و جرقه‌زنی خارجی استفاده می‌کند. مخلوط هوا و سوخت را می‌سوزاند و در این فرآیند انرژی شیمیایی موجود در سوخت را به انرژی جنبشی تبدیل می‌کند. برای سالیان طولانی، کاربراتور مسئول ایجاد مخلوط هوا و سوخت در منیفولد ورودی بود که با پایین رفتن پیستون به داخل سیلندر کشیده می‌شد. تحول ایجاد شده در روش پاشش سوخت بنزین، که امکان اندازه‌گیری بسیار دقیق سوخت را فراهم می‌کند، نتیجه قوانین حاکم بر محدودیت انتشار گازهای آلاینده خروجی بود. با پاشش سوخت از طریق منیفولد (manifold fuel injection)، مشابه با کارکرد کاربراتور، مخلوط هوا و سوخت در چندراهه ورودی تشکیل می‌شود. با توسعه روش پاشش مستقیم بنزین (gasoline direct injection) مزایای بیشتری نیز به‌ویژه صرفه‌جویی در مصرف سوخت و افزایش توان خروجی حاصل شد. در روش پاشش مستقیم، سوخت درست در لحظه مناسب به طور مستقیم در سیلندر موتور پاشش می‌شود.
روش کار
احتراق مخلوط هوا و سوخت موجب می‌شود پیستون (شکل 1، موقعیت 8) حرکت رفت و برگشتی را در سیلندر انجام دهد (9). شاتون (شکل 1 – 10) حرکت رفت و برگشتی پیستون را به حرکت چرخشی میل‌لنگ (شکل 1 – 11) تبدیل می‌کند که توسط یک چرخ طیار در انتهای میل‌لنگ حفظ می‌شود. به سرعت میل‌لنگ سرعت موتور (engine speed) یا دور موتور (engine rpm) نیز گفته می‌شود.
اصل چهار زمانه (Four-stroke principle)
امروزه اکثر موتورهای احتراق داخلی که به عنوان قوای محرکه خودرو استفاده می‌شوند از نوع چهار زمانه هستند. اصل چهار زمانه از شیر‌‌های تبادل گاز (شکل 1- شماره‌های 5 و 6) برای کنترل چرخه خروج و پر کردن دوباره استفاده می‌کند. این شیر‌‌ها مجرای ورودی و خروجی سیلندر را باز و بسته می‌کنند و در این فرآیند ورود مخلوط هوا و سوخت تازه و خارج‌کردن گازهای خروجی سوخته را کنترل می‌کنند.
نخست: مکش (induction)
در نقطه مرگ بالا (Top Dead Center) (TDC)، پیستون به سمت پایین حرکت می‌کند و حجم محفظه احتراق (شکل 1- شماره 7) را افزایش می‌دهد به طوری که هوای تازه (پاشش مستقیم بنزین) یا مخلوط هوا و سوخت تازه (پاشش منیفولد) با عبور از شیر ورودی باز شده (شکل 1- شماره 5) به داخل محفظه احتراق کشیده می‌شود. محفظه احتراق در نقطه مرگ پایین (Bottom Dead Center) (BDC) به حداکثر حجم (Vc+Vh) می‌رسد که در آن Vc حجم کمینه فشرده‌سازی‌شده و Vh حجم جابجایی پیستون است.
مرحله دوم: تراکم یا فشرده‌سازی (Compression)
شیر‌‌های تبادل گاز بسته هستند و پیستون در سیلندر به سمت بالا حرکت می‌کند. با انجام این کار، حجم محفظه احتراق را کاهش می‌دهد و مخلوط هوا و سوخت را فشرده می‌کند. در موتورهای پاشش منیفولدی، مخلوط هوا و سوخت قبلاً در انتهای مرحله مکش وارد محفظه احتراق شده است. از طرف دیگر، با یک موتور پاشش مستقیم، بسته به حالت کارکرد، سوخت از ابتدا تا انتهای مرحله تراکم پاشش می‌شود. در نقطه مرگ بالا (TDC) حجم محفظه احتراق کمینه است (حجم تراکم Vc).
مرحله سوم: توان یا احتراق (Power or combustion)
قبل از اینکه پیستون به نقطه مرگ بالا (TDC) برسد، شمع جرقه‌زنی (شکل 1 – شماره 2) احتراق مخلوط هوا و سوخت را در یک نقطه جرقه‌زنی معین (زاویه جرقه‌زنی) آغاز می‌کند. شیر‌‌های تبادل گاز بسته می‌مانند و گرمای احتراق فشار را در سیلندر به اندازه‌ای افزایش می‌دهد که پیستون با فشار به سمت پایین رانده می‌شود.
مرحله چهارم: تخلیه (Exhaust)
شیر خروجی (شکل 1 – شماره 6) کمی قبل از نقطه مرگ پایین (BDC) باز می‌شود. گازهای داغ خروجی تحت فشار زیاد هستند و سیلندر را از طریق شیر خروجی ترک می‌کنند. گاز خروجی باقی‌مانده توسط پیستون که به سمت بالا حرکت می‌کند، خارج می‌شود. پس از هر دو بار چرخش میل‌لنگ، یک چرخه کاری جدید با مرحله مکش دوباره آغاز می‌شود.
شکل 2- این مراحل را به طور خلاصه نمایش می‌دهد.
نسبت هوا به سوخت
احتراق کامل ترکیب هوا و سوخت، به نسبت استوکیومتری هوا و سوخت وابسته است. این نسبت که لامبدا (λ) نامیده می‌شود، برای سوخت بنزین برابر با 14.7 است. لامبدا می‌تواند نشان‌دهنده میزان انحراف نسبت هوا به سوخت از اندازه ایده‌آل تئوری آن باشد؛ به بیان دیگر:
λ= Induction Air Mass / Theoretical Air Requirement
بنا بر رابطه یادشده، فاکتور لامبدا برای نسبت استوکیومتریک هوا به سوخت، برابر با 1 خواهد بود. لامبدا به عنوان فاکتور هوای اضافی نیز شناخته می‌شود. در صورت افزایش اندازه لامبدا (افزایش هوای اضافی) از اندازه‌ای مشخص، مخلوط هوا و سوخت از مرز محدوده احتراق عبور کرده و امکان احتراق وجود نخواهد داشت. نسبت هوا به سوخت بر مصرف سوخت ویژه موتور و نیز انتشار آلاینده‌های آن اثرگذار است.
شکل 3 اثر فاکتور هوای اضافی را در شرایط مخلوط همگن سوخت و هوا، بر توان و مصرف سوخت ویژه موتور نشان می‌دهد. چنان چه مشاهده می‌شود بیشینه توان موتور در ناحیه مخلوط غنی (a) و کمینه مصرف ویژه در ناحیه مخلوط فقیر (b) به دست می‌آید.
شکل 4 نمایان‌گر اثر نسبت هوا به سوخت بر انتشار آلاینده‌های خروجی موتور است. چنان‌چه مشاهده می‌شود، بیش‌ترین اندازه تولید و انتشار اکسیدهای نیتروژن در حوالی نسبت هوا به سوخت استوکیومتریک روی می‌دهد. این در حالی است که تولید و انتشار هیدروکربن‌ها و نیز گاز مونواکسید کربن در این شرایط نزدیک به اندازه کمینه خود است.
بررسی اثر نسبت هوای اضافی بر برخی پارامترهای کارکردی اصلی موتور همچون توان خروجی، انتشار گازهای آلاینده و مصرف سوخت ویژه آن، نشان از اثر متقابل این فاکتور بر پارامترهای یادشده و بنابراین تنظیم این نسبت بسته به شرایط کارکردی موتور و انتظار کارکردی از آن از اهمیتی بسزا برخوردار است.