نحوه احتراق موتور دیزل؛ بررسی علمی عملکرد موتورهای دیزلی
· 28 مهر 22:28 · خواندن 4 دقیقه موتور دیزل یکی از مهم‌ترین اختراعات در تاریخ مهندسی مکانیک است که امروزه در کامیون‌ها، ماشین‌آلات سنگین، کشتی‌ها و حتی ژنراتورها استفاده می‌شود. تفاوت اصلی موتور دیزل با موتور بنزینی در نحوه احتراق سوخت است. در این مقاله، فرآیند احتراق در موتور دیزل، اجزای تأثیرگذار، دلایل بازدهی بالا و نکات مربوط به عملکرد بهینه آن را به‌طور کامل بررسی می‌کنیم.
مفهوم احتراق در موتور دیزل
در موتورهای دیزل، احتراق به‌صورت خودبه‌خودی (Self-Ignition) انجام می‌شود. یعنی برخلاف موتورهای بنزینی که برای اشتعال از شمع جرقه‌زن استفاده می‌کنند، در موتور دیزل، فشار زیاد هوا باعث داغ شدن آن و در نتیجه احتراق خودکار سوخت می‌شود.
در واقع، هوا به‌تنهایی در سیلندر متراکم می‌شود و به دمایی بین ۶۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. سپس در لحظه‌ای دقیق، سوخت دیزل به داخل محفظه پاشیده می‌شود و در تماس با هوای داغ، فوراً مشتعل می‌گردد.
مراحل احتراق در موتور دیزل
فرآیند احتراق در موتور دیزل شامل چند مرحله‌ی فنی و زمان‌بندی‌شده است:
۱. مرحله تراکم (Compression Stroke)
در این مرحله، پیستون از پایین به بالا حرکت کرده و هوا را به‌شدت فشرده می‌کند. نسبت تراکم در موتور دیزل معمولاً بین ۱۴:۱ تا ۲۵:۱ است، یعنی بسیار بالاتر از موتور بنزینی. این تراکم زیاد باعث افزایش چشمگیر دمای هوا درون سیلندر می‌شود.
۲. پاشش سوخت (Fuel Injection)
در نزدیکی نقطه مرگ بالا (TDC)، انژکتور، سوخت دیزل را به‌صورت ذرات بسیار ریز داخل سیلندر پاشش می‌کند. طراحی نازل انژکتور به گونه‌ای است که سوخت به‌طور یکنواخت در سراسر محفظه پخش شود تا با هوای داغ ترکیب شود.
۳. احتراق خودبه‌خودی (Auto-Ignition)
پس از ورود سوخت به هوای داغ، واکنش شیمیایی احتراق آغاز می‌شود. در این لحظه، فشار و دما به‌سرعت افزایش یافته و پیستون را با قدرت به سمت پایین می‌راند. همین حرکت، منبع اصلی انرژی مکانیکی موتور است.
۴. مرحله انبساط (Power Stroke)
در این مرحله، گازهای داغ حاصل از احتراق، پیستون را به پایین فشار می‌دهند. این انرژی مکانیکی از طریق میل‌لنگ به چرخ‌ها یا ژنراتور منتقل می‌شود.
۵. تخلیه دود (Exhaust Stroke)
در پایان، سوپاپ دود باز می‌شود تا گازهای سوخته از سیلندر خارج شوند و چرخه جدیدی آغاز گردد.
دلایل بازدهی بالای موتور دیزل
یکی از دلایلی که موتورهای دیزلی محبوب هستند، بازده حرارتی بالاتر آن‌هاست.
چند عامل کلیدی باعث این بازدهی می‌شوند:
- نسبت تراکم بالا: هرچه تراکم بیشتر باشد، احتراق کامل‌تر و انرژی تولیدی بیشتر است.
- ماهیت سوخت دیزل: سوخت دیزل چگالی انرژی بالاتری نسبت به بنزین دارد.
- احتراق پیوسته‌تر: شعله در موتور دیزل آهسته‌تر اما کامل‌تر پخش می‌شود، در نتیجه انرژی تلف‌شده کمتر است.
- دمای بالای سیلندر: احتراق در دما و فشار بالاتر موجب استفاده بهینه از انرژی شیمیایی سوخت می‌شود.
تفاوت احتراق در موتور دیزل و بنزینی
| ویژگی | موتور دیزل | موتور بنزینی |
|---|---|---|
| نوع احتراق | خودبه‌خودی (بدون شمع) | جرقه‌ای (با شمع) |
| نسبت تراکم | بالا (۱۴:۱ تا ۲۵:۱) | پایین‌تر (۸:۱ تا ۱۲:۱) |
| نوع سوخت | گازوئیل | بنزین |
| بازده حرارتی | بیشتر | کمتر |
| صدای کارکرد | بلندتر | نرم‌تر |
در نتیجه، موتور دیزل برای کاربردهای صنعتی و خودروهای سنگین مناسب‌تر است؛ در حالی‌که موتور بنزینی بیشتر برای خودروهای سواری سبک استفاده می‌شود.
عوامل مؤثر بر کیفیت احتراق در موتور دیزل
احتراق مؤثر به چند عامل فنی بستگی دارد:
- کیفیت سوخت دیزل: وجود ناخالصی یا آب در سوخت باعث احتراق ناقص و دود زیاد می‌شود.
- زمان‌بندی دقیق تزریق سوخت: تأخیر در تزریق، موجب ضربه یا کوبش موتور می‌شود.
- تمیزی نازل انژکتور: گرفتگی نازل مانع پاشش یکنواخت سوخت می‌گردد.
- دمای موتور: در دمای پایین، فرآیند خوداحتراقی سخت‌تر انجام می‌شود.
تنظیم درست این پارامترها، عمر موتور را افزایش داده و مصرف سوخت را کاهش می‌دهد.
مشکلات ناشی از احتراق ناقص در موتور دیزل
اگر احتراق به‌درستی انجام نشود، علائم زیر ظاهر می‌شود:
- خروج دود سیاه یا آبی از اگزوز
- کاهش توان موتور
- صدای غیرعادی هنگام کارکرد
- افزایش مصرف سوخت
برای رفع این مشکلات باید سیستم تزریق سوخت، فیلتر هوا و تایمینگ موتور بررسی شوند. گاهی هم استفاده از سوخت بی‌کیفیت دلیل اصلی احتراق ناقص است.
تأثیر طراحی محفظه احتراق بر عملکرد
شکل محفظه احتراق در موتور دیزل اهمیت زیادی دارد. در طراحی‌های مدرن، از محفظه توربولانس (Swirl Chamber) استفاده می‌شود تا جریان چرخشی هوا، سوخت را بهتر پخش کرده و احتراق یکنواخت‌تری ایجاد کند.
این طراحی باعث می‌شود موتور دیزل علاوه بر قدرت بالا، آلودگی کمتری نیز تولید کند.
جمع‌بندی
احتراق در موتور دیزل فرآیندی پیچیده اما دقیق است که بر اساس اصل فشار بالا و احتراق خودبه‌خودی انجام می‌شود. همین ویژگی باعث شده این نوع موتور، بازدهی بالاتر و طول عمر بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی داشته باشد.
درک درست از نحوه احتراق موتور دیزل برای مهندسان مکانیک، تعمیرکاران و حتی صاحبان ماشین‌آلات صنعتی ضروری است، زیرا کوچک‌ترین خطا در سیستم تزریق یا زمان‌بندی احتراق می‌تواند کارایی موتور را کاهش دهد.
