موتور يا پيشرانه احتراقي چيست و هرآنچه درباره آن بايد بدانيد

نمونه‌ي اوليه از تبديل حركت دوراني به رفت و برگشتي، (برعكس موتورهاي رفت و برگشتي)، در چوب‌‌بُري‌هاي روم باستان (بين سده‌هاي ۳ تا ۶) انجام گرفته‌ است. در اين سامانه، يك ميله‌ي رابط، حركت چرخشي چرخ آب‌گرد را به حركت خطي ارّه تبديل مي‌كرد. نمونه‌ي ديگري كه از افتخارات ايرانيان و مسلمانان و قوم كُرد است، پمپ پيستوني رفت و برگشتي، ساخته شده توسط بديع‌ الزمان جزري است.

يكي از اختراعات بديع‌ الزمان جزري كه توضيح آن در لينك بالا آمده است

موتور رفت و برگشتي، در سده ۱۸، ابتدا به صورت ماشين حرارتي نيوكامن (موتور بخار جوي) و سپس به صورت موتور بخار در اروپا ساخته شد. سپس موتور استرلينگ و موتور احتراق داخلي در سده ۱۹ ابداع شدند. امروزه رايج‌ترين نوع موتورهاي رفت و برگشتي، موتورهاي احتراق داخلي هستند كه با استفاده از انرژي ناشي از احتراق سوخت‌هاي بنزين، گازوئيل، گاز ال‌پي‌جي يا سي‌ان‌جي و اتانول، وسايل نقليه را به حركت درمي‌آورند.

موتور رفت و برگشتي (Reciprocating Engine) يا موتور پيستوني (Piston engine)

يك ماشين گرمايي است كه با استفاده از يك يا چند پيستون، كه حركت رفت و برگشتي انجام مي‌دهند، فشار را به حركت دوراني تبديل مي‌كند. انواع اصلي موتورهاي رفت و برگشتي شامل موتورهاي احتراق داخلي (درون‌سوز)، موتور بخار و موتور استرلينگ مي‌شوند.

پيشرانه‌هاي درون‌سوز يا احتراق داخلي

موتور درون‌سوز، يك وسيلهٔ گردنده است كه در خودروها، هواگردها، قايق موتوري، موتورسيكلت‌ها و صنايع متخصصد دارد. بدون موتورهاي درون‌سوز، اختراع و ساخت هواپيماها ممكن نبود. تا پيش از پرواز نخستين هواپيماي جت در سال ۱۹۳۹، پيشرانه‌ تمام هواپيماها، موتورهاي احتراق داخلي پيستوني بود. در ادامه به معرفي و تشريح انواع پيشرانه درون‌سوز پرداخته شده است.

پيشرانه‌هاي احتراق داخلي پيستوني

موتور‌هاي احتراق داخلي پيستوني چند مدل رايج دارند.

آرايش خطي (۲، ۳، ۴، ۵ و ۶ سيلندر) : سيلندرها به صورت عمودي و در يك راستا قرار گرفته‌اند. اين نوع از پيشرانه‌ها رايج‌ترين نمونه‌ي موجود در دنياي خودروسازي است.

آرايش W شكل: مشابه با پيشرانه‌هاي خورجيني، نمونه‌هاي W شكل از سه رديف (بانك) سيلندر بهره مي‌برد كه در زاويه‌ي خاصي با يكديگر قرار دارند و تمام آن‌ها به يك ميل‌لنگ متصل شده‌اند. اولين نمونه از اين پيشرانه‌ها در سال ۱۹۰۶ با سه سيلندر در موتورسيكلت آنزاني به كار گرفته شد. با اين حال پيشرانه‌هاي W شكل حال حاضر دنياي خودروسازي شباهت زيادي به حرف W ندارند. نام‌دارترين شركت توليدكننده‌ي پيشرانه‌هاي W شكل، فولكس‌واگن آلمان است كه از دو بلوك سيلندر V شكل براي توليد اين پيشرانه‌هاي بهره مي‌برد. نمونه‌ي W16 به كار رفته در بوگاتي ويرون و شيرون مطرح‌ترين پيشرانه‌هاي W شكل دنياي خودروسازي هستند.

پيشرانه‌هاي W شكل ابتدايي

پيشرانه W شكل مدرن كه از اتصال دو پيشرانه V شكل ايجاد شده است

آرايش تخت يا باكسر : همان V شكل است با اين تفاوت كه زاويه قرارگيري بين سيلندرها به ۱۸۰ درجه رسيده است. مخترع اين آرايش از موتورها، فرديناند پورشه، مخترع شهير آلماني است و هم اكنون هم بيشترين استفاده از آن‌ها را شركت خودروسازي پورشه دارد.

موتورهاي چرخان : در اين آرايش، ميل‌لنگ در وسط قرار گرفته و محفظه‌هاي سيلندر حول آن و روي يك دايره‌ي فرضي با مركز ميل‌لنگ قرار مي‌گيرند. با اين تفاوت كه در اين حالت، سرسيلندر هر سيلندر مجزا است. موتورهاي چرخان در هواپيماهاي كوچك ملخي مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

اجزاي اصلي يك موتور احتراق داخلي پيستوني

بلوك سيلندر

سرسيلندر

پيستون‌ها

شاتون‌ها

ميل‌لنگ

ميل‌بادامك

سوپاپ‌ها

تسمه يا زنجير تايم

پيشرانه‌هاي احتراق داخلي پيستوني با توجه به سيكل كاري خود به چندين دسته تقسيم مي‌شوند:

پيشرانه درون‌سوز اتو

پدر تمام موتورهاي احتراق داخلي را مي‌توان نيكلاس آگوست اتو دانست كه در سال ۱۸۷۶ اولين نمونه از موتورهاي احتراق داخلي را اختراع كرد. بر اساس گفته اين مهندس آلماني، مكانيزم اين موتور درون سوز از روي دستگاه بخار جيمز وات الهام گرفته شده بود. پيشرانه طراحي شده توسط آگوست اتو قادر بود چهار مرحله مكش، تراكم، انفجار و تخليه را به صورت مداوم انجام دهد. البته آن زمان موتورهاي احتراق داخلي هنوز مناسب خودروها نبودند، زيرا با افزايش ميزان سوخت فرم احتراق‌ها به انفجار تغيير مي‌كرد و خيلي سريع موتور دچار سوختگي مي‌شد.

پيشرانه‌هاي درون‌سوز اتو از سيكل ترموديناميك چهارزمانه‌ي اتو پيروي مي‌كنند. اين سيكل از دو فرآيند فشار ثابت و دو فرآيند آيزنتروپيك تشكيل شده است. مراحل چرخه‌ي چهارزمانه سيكل اتو عبارت است از:

مكش

تراكم

توان

تخليه

پيشرانه ديزل

پيشرانه‌هاي ديزل، يك موتور درون‌سوز پيستوني است كه بدون كمك شمع و عمليات جرقه‌زني، سوخت را محترق مي‌كند. روش موتور ديزل براي احتراق، تراكم مخلوط سوخت و هوا تا حد انفجار است.

ضريب تراكم موتورهاي ديزل بيش از ۱.۵ برابر موتور درون سوز پيستوني بنزين سوز رايج در خودروها است. به دليل اين كه بنزين در تراكم كمتري به مرحله‌ي انفجار مي‌رسد، در موتورهاي ديزل از سوخت گازوئيل استفاده مي‌شود. از مزاياي موتورهاي ديزل مي‌توان به توليد گشتاور بيشتري نسبت به مدل‌هاي مشابه بنزين سوز و ارائه‌ي آن در دور موتور پايين‌تري اشاره كرد. موتور ديزل در باقي مشخصات با موتورهاي درون سوز پيستوني بنزين سوز كاملا منطبق است.

موتور دو زمانه

فرايند موتورهاي دو زمانه از دو مرحله‌ي بالا و پايين براي انتقال توان تشكيل شده است. از آنجا كه هيچ مرحله‌اي براي ورود سوخت و خروج دود وجود ندارد، از روش ديگري به جاي اين مراحل بايد استفاده كرد.

رايج‌ترين روش در موتورهاي دو زمانه با شمع شامل استفاده از حركت رو به پايين پيستون براي متراكم كردن سوخت و هواي ورودي و در ادامه انفجار آن با ايجاد جرقه است. اين موتورها كاملا سبك و از انديشه متخصصين مكانيكي ساده هستند. از موتورهاي دو مرحله‌اي غالبا در برف‌روب‌ها، ماشين‌هاي چمن‌زني، چوب‌برها، اره‌هاي برقي، جت اسكي‌ها و برخي موتورسيكلت‌ها استفاده مي‌شود.

متاسفانه اين موتورها نسبت به نوع چهار زمانه سر و صداي بيشتر، بازده كمتر و آلودگي بيشتري دارند و در مقياس بزرگ خوب كار نمي‌كنند. البته دقت كنيد، موتورهاي احتراق تراكمي بزرگ در گذشته عموما دو زمانه بودند كه در برخي لوكوموتيوها و كشتي‌هاي بزرگ به كار مي‌رفتند. در اين موتورها از مكش براي تخليه‌ي موتور استفاده مي‌شود.

يكي از دلايل كم‌بازده بودن اين سيستم‌ها اين است كه مقداري از سوخت مصرف نشده ممكن است با سوخت مصرف شده خارج شود. به علاوه بدون فرايند خاصي براي خارج كردن دود، آلودگي زيادي منتشر مي‌شود. به همين دليل استفاده از مبد‌ل‌هاي كاتاليستي كاملا ضروري به انديشه متخصصين مي‌رسد.

موتور چهار زمانه

متداول ترين چرخه‌ي احتراق در موتورهاست. اين موتورها از چرخه‌ي اتو پيروي مي‌كنند. 

يك موتور درون سوز پيستوني كه با سيكل احتراق چهار زمانه و پيروي از چرخه‌ي اتو كار مي‌كند

موتور شش زمانه

موتور شش زمانه (Six-stroke engine) يكي از انواع موتور درون سوز پيستوني است، كه بر اساس ساختار موتورهاي چهار زمانه ساخته شده‌است. اما با اين تفاوت كه داراي چند ويژگي بيشتر است كه باعث افزايش كارايي موتور و كاهش گازهاي گلخانه‌اي مي‌شود. از سال ۱۹۸۰، دو نوع از موتورهاي شش زمانه رو به توسعه گذاشتند. 

نخستين مدل موتور شش زمانه، يك موتور تك پيستون داراي دو محفظه گرم كن و احتراق است، كه به ازاي هر پيستون چهار سوپاپ دارد. نحوه‌ي كار آن به گونه‌اي است كه حرارت ايجاد شده در محفظه احتراق ( كه از چرخه چهارگانه‌ي چرخه‌ي اتو ايجاد مي‌شود) به محفظه‌ي گرم‌كن كه با هم در تماس‌اند، منتقل مي شود. و اين تماس به نوعي مانع از دوريز حرارت مي‌گردد. اين مدل تقريبا شبيه موتور چهار زمانه است. ولي علاوه بر ايجاد نيرو از احتراق سوخت، از از انبساط هواي محبوس در گرمكن نيز براي توليد نيرو استفاده مي‌كند.لازم به ذكر است كه همين هواي منبسط شده دوباره با سوخت تركيب شده و احتراق يافته تا نيرو توليد كند. پيستون در اين نوع موتور شش زمانه، به ازاي هر تزريق سوخت سه بار بالا و پايين مي‌رود.در اين موتور، دو مولد نيرو وجود دارد:

سوخت

هوا يا دود

دومين مدل، پيستون مقابل نام دارد كه شامل دو پيستون رو به روي هم است. مي‌توان گفت اين مدل به گونه اي تركيبي از موتور چهار زمانه و موتور دوزمانه است. ولي بر خلاف مدل قبلي چون دو پيستون دارد و در هر چرخه، ۶ فرايند انجام مي‌دهد در واقع وجود دو پيستون موجب ايجاد سامانه بدون سوپاپ شده است.

از مزيت‌هاي اين سيكل مي‌توان به: راندمان بالاتر ، ۳۰ درصد كاهش مصرف سوخت، ايجاد صدا كمتر، كاهش گازهاي گلخانه‌اي و قدرت بيشتر نسبت به حجم موتور يكسان اشاره كرد.

پيشرانه‌ي اتكينسون

جيمز اتكينسون (James Atkinson) يك مهندس بريتانيايي بود كه همانند بسياري از مخترعان، كارآفرينان، و فلزكاران قرن نوزدهم،  در پي راه‌هايي براي بهبود عملكرد چرخه‌ي پيشرانه احتراق اتوي چهار زمانه بر آمده بود. اين پيشرانه براي اولين بار در سال۱۸۷۶ ساخته شده است. پيشرانه‌اي كه او در سال ۱۸۸۲ به ثبت رساند، داراي  طول‌هاي حركت پيستون (stroke length) متغيري بود و اين تغييرات توسط يك شاتون (ميل رابط) چند اتصالي ميان پيستون و فلاي‌ويل (چرخ لنگر) فراهم مي‌شد.

در حالي كه پيشرانه‌هاي اتكينسون موفق نبودند، ولي چرخه‌ي ترموديناميكي او هنوز هم به طور گسترده استفاده مي‌شود. متخصصد اين پيشرانه‌ها به طور عمده در پيشرانه‌هاي نوع هيبريدي بنزيني‌ الكتريكي است. مزيت كليدي اين چرخه نسبت به اتو، حصول بهره‌وري بالاتر نسبت به يك پيشرانه اتو است، البته اين امر با اندكي افت در توان خروجي در سرعت‌هاي پايين همراه است. چرخه‌ي اتكينسون براي پيشرانه‌هاي هيبريدي بسيار ايده‌آل است، زيرا موتور الكتريكي به كار بسته شده روي آن‌ها مي‌تواند كاهش مربوط به خروجي را در سرعت پايين جبران كند.

چرخه‌ي اتكينسون بسته شدن سوپاپ ورودي را مادامي كه پيستون ۲۰ تا ۳۰ درصد از مسير به سمت بالايش را در مرحله‌ي تراكم طي كند، به تاخير مي‌اندازد. به عنوان يك نتيجه، مقداري از سوخت تازه، توسط پيستوني كه در حال بالا آمدن است، دوباره به منيفولد ورودي هدايت مي‌شود تا به اين ترتيب، سيلندر هرگز به طور كامل پر نشود كه همين موضوع نيز همانطور كه اشاره كرديم، كاهش توان خروجي را در سرعت‌هاي پايين در پي دارد. نتيجه‌ي نهايي بعد از احتراق به دست مي‌آيد؛ زماني كه پيستون شروع به پايين آمدن در مرحله‌ي انبساط مي‌كند. اين مرحله‌ را مرحله‌ي قدرت نيز مي‌نامند. چنين روندي در واقع با تفكر اصلي اتكينسون سازگار است. مكش كوتاه‌تر همراه با يك حركت انبساطي در تمام طول ممكن، باعث مي‌شود تا بيشترين كار ممكن را به ازاي هر بار افزوده شدن سوخت به دست آوريم.

در تصاوير زير چهار مرحله‌ي اصلي كه در هر پيشرانه پيستوني متداول رخ مي‌دهد و به نام‌هاي مكش (intake)، تراكم (compression)، توليد توان (power) و تخليه (exhaust) را مي‌بينيم. همچنين نسبت تراكم و نسبت انبساط براي چرخه‌ي نرمال و چرخه‌ي اتكينسون با هم مقايسه شده است. اين دو نسبت بيان‌گر نسبت فضاي مابين پيستون و سيلندر در حالت كمترين و بيشترين مقدار حجم حاصل از حركت رفت و برگشت پيستون هستند. براي مرحله‌ي مكش و تخليه تفاوت خاصي وجود ندارد اما در مرحله‌ي انبساط شاهد تفاوت در مقدار نسبت انبساط هستيم.

در اكثر پيشرانه‌ها، نسبت تراكم تا هر جايي كه بتواند پيشرانه را در دستيابي به قدرت و كارايي و همچنين اجتناب از انفجار به يك برايند كلي برساند، در ميزان بالايي تنظيم مي‌شود. نسبت تراكم و انبساط در يك پيشرانه اتوي معمولي با هم برابر هستند. دليل برتري اتكينسون در بهره‌وري به اين دليل است كه نسبت انبساط آن به طور قابل توجهي بزرگ‌تر از نسبت تراكمش است.

پيشرانه‌هاي دوار بدون پيستون

پيشرانه‌هاي دوار بدون پيستون با هدف حذف مكانيزم چرخ‌و‌لنگ، توسعه يافتند. معروف‌ترين آن‌ها، پيشرانه‌ي وانكل است كه به دليل معروفيت و رواج به يك دسته‌ي جدا بدل شده است.

پيشرانه درون‌سوز وانكل

اجزاي موتور وانكل

روتور

روتور قطعه مثلثي شكل، داراي سه صفحه محدب است كه هر يك در حكم يك پيستون عمل مي‌كند. درهر يك ازصفحه‌هاي روتور فرورفتگي وجود دارد كه حجم موتور را افزايش مي‌دهد و باعث افزايش مخلوط بنزين و هواي ورودي به موتور مي‌شود. در انتهاي هر صفحه، تيغه‌اي فلزي براي آب بندي بيرون و محفظه‌ي احتراق وجود دارد. همچنين حلقه‌هايي فولادي براي آب بندي كناره‌ي محفظه‌ي احتراق و بيرون كار گذاشته شده‌است. روتور داراي مجموعه‌اي از چرخ‌دنده چيده شده در وسط پهلو است. دندانه‌هاي اين چرخ‌دنده با دندانه‌هاي چرخ‌دنده‌اي جفت مي‌شود كه به بدنه بسته شده‌است. اين جفت شدگي چرخ‌دنده‌ها مسير و جهت حركت روتور را در محفظه تعيين مي‌كند.

محفظه

محور خروجي

مزيت ها:

معايب:

اگر چه در دو بعد درزگيري بين روتور و اتاقك، بسيار ساده‌تر از يك موتور پيستوني متناظر به انديشه متخصصين مي رسد. ولي در مطالعه سه بعدي، عكس اين موضوع حاكم است. همان‌طور كه نوك روتور مي‌بايست كاملا بر روي منحني اتاقك حركت كند، روتور نيز مي‌بايست كناره هاي اتاقك را درز گيري كند. رينگ‌هاي پيستون هر كدام داراي يك شكاف است كه به ان اجازه‌ي انبساط مي‌دهد و لذا درزگيري كامل ميسر نيست.

موتور شبه توربين

پيشرانه‌هاي شبه توربين در سال ۱۹۹۶ براي اولين بار به ثبت رسيدند كه هدف از توليد آن‌ها بهبود عملكرد و كاهش ميزان خروجي گازهاي آلاينده بود. موتور شبه توربين خيلي شبيه موتور دوراني است، يك روتور درون بدنه‌ي تقريبا بيضي شكل مي‌چرخد. موتور شبه توربين برخلاف نمونه‌ي دوراني يا وانكل، روتور چهار جزيي دارد. گوشه‌هاي روتور با بدنه به خوبي آب‌بندي شده‌اند و نيز گوشه‌هاي روتور نسبت به بخش داخلي آب‌بندي‌اند. بدين ترتيب چهار محفظه براي احتراق در دسترس خواهد بود.

نمونه‌ي پيشرفته‌تر اين دسته از موتورها، پيشرانه‌ي شبه‌ توربين كالسكه‌اي نام دارد. به دليل ساختار كالسكه‌اي اين پيشرانه‌ها، مهندسان امكان افزايش زياد فشار محفظه‌ي احتراق را دارند. بدين ترتيب امكان استفاده از انفجار نوري نيز در اين دسته از پيشرانه‌ها وجود دارد. اما انفجار نوري به چه معنا است؟

احتراق در پيشرانه‌ها به چهار دسته تقسيم مي‌شود. در نوع اول سوخت و هوا پيش از ورود به محفظه‌ي احتراق مخلوط شده و سپس درون محفظه با كمك شمع، مشتعل مي‌شود. اما در نوع دوم سوخت به صورت مستقيم پس از ورود هوا تزريق مي‌شود (ساز و كار اكثر پيشرانه‌هاي خودروهاي امروزي). در نوع سوم مخلوط سوخت و هوا در محفظه‌ي احتراق با يكديگر مخلوط مي‌شوند و با افزايش فشار و در نتيجه‌ دماي محفظه، اشتعال صورت مي‌گيرد (ساز و كار پيشرانه‌هاي ديزل). اما در نوع چهارم، خصوصيات پيشرانه‌هاي بنزيني و ديزلي با يكديگر تركيب شده و سوخت و هوا پيش از ورود به محفظه‌ي احتراق، به خوبي با يكديگر مخلوط مي‌شوند كه تركيب همگني را ايجاد كنند. در ادامه و پس از ورود اين مخلوط به محفظه‌ي احتراق، با افزايش فشار اشتعال به صورت خودكار انجام مي‌شود كه به اين روش، انفجار نوري (Photo-Detonation) گفته مي‌شود.

مزاياي پيشرانه‌هاي شبه توربين عبارت هستند از:

لرزش ناچيز به دليل بالانس بودن موتور

شتاب بيشتر بدون وجود چرخ طيار

گشتاور بيشتر در دور موتور پايين‌تر

تقريبا بدون نياز به روغن كاري

سر و صداي كمتر

انعطاف پذيري كامل در جهت قرارگيري موتور، حتي به صورت واژگون

قطعات متحرك كمتر و در نتيجه استهلاك كمتر

هنوز زمان زيادي از معرفي و توسعه‌ي پيشرانه‌هاي شبه‌توربين (در مقايسه با عمر ۱۲۰ ساله‌ي پيشرانه‌هاي پيستوني) نگذشته است. به همين دليل انتظار نمي‌رود اين دسته از پيشرانه‌ها را به زودي در طيف گسترده‌اي از خودروها يافت.

موتورهاي احتراق پيوسته

در حالي كه پيشرانه‌هاي احتراق داخلي ذكر شده تا انجاي مقاله، در چرخه‌ي كاري خود به صورت متناوب به احتراق سوخت مي‌پردازند، دسته‌ي ديگري از پيشرانه‌ها نيز وجود دارد كه عمل احتراق به صورت منظم و پيوسته در آن‌ها صورت مي‌گيرد. اين پيشرانه‌ها را انواع احتراق پيوسته نام‌گذاري مي‌كنند كه موتورهاي راكت و انواع موتور جت و توربين گازي از مطرح‌ترين نمونه‌هاي آن‌ها هستند كه در ادامه به تشريح هر يك پرداخته خواهد شد.

توربين گازي

توربين گاز، (Gas Turbine)، يك موتور درون‌سوز از نوع ماشين‌هاي دوار يا چرخشي است كه بر اساس انرژي گازهاي ناشي از  كار مي‌كند. هر توربين گاز شامل يك كمپرسور براي فشرده كردن هوا، يك محفظه‌ي احتراق براي مخلوط كردن هوا با سوخت و محترق‌ كردن آن و يك توربين براي تبديل انرژي دروني گازهاي جديد و فشرده به انرژي مكانيكي است.

توربين گازي كلاس E ساخت شركت توربين مپنا (توگا)

توربين گاز سري H شركت جنرال الكتريك، اين توربين 480 مگاواتي در چيدمان سيكل تركيبي، بازده حرارتي ۶۰٪ دارد

بخشي از انرژي مكانيكي توليد شده در توربين، صرف چرخاندن كمپرسور خود توربين شده و باقي انرژي توليدي، بسته به متخصصد توربين گاز، ممكن است مولد الكتريكي را بچرخاند (توربوژنراتور)، به هوا سرعت دهد (توربوجت و توربوفن) يا مستقيما (يا بعد از تغيير سرعت چرخش توسط گيربكس) به همان صورت مصرف شود (توربوشفت، توربوپراپ و توربوفن). توربين‌هاي گازي انواع و مدل‌هاي مختلفي دارند كه معرفي و تشريح آن‌ها در حوصله‌ي اين مطلب نمي‌گنجد. ولي نكته‌ي حائز اهميت در مورد توربين‌هاي گازي اين است كه توربين گاز سري H، پيشرفته‌ترين و پيچيده‌ترين توربين گازي در دنيا است؛ كه در حال حاضر شركت مپنا در حال طراحي و ساخت اين مدل توربين است و هم اكنون از مرحله‌ي كانسپت گذشته و در حال تجاري سازي است.

موتور جت

موتورجت يا موتور شارشي نوعي موتور دوار است كه از شتاب دادن و تخليه شاره براي ايجاد پيش‌رانش برپايه قانون سوم نيوتن استفاده مي‌كند.

با اين تعريف گسترده موتورهائي مانند توربوجت و توربوفن و رم‌جت و موتور موشك، گونه‌اي موتور جت به‌شمار مي‌روند؛ ولي معمولاً منظور از موتور جت، توربيني است كه با بيرون‌دادن گاز جديد، نيروي پيشران توليد مي‌كند.

اجزاي اصلي موتور جت عبارتند از:

كمپرسور

سيستم احتراق

توربين

سيستم خروج گازهاي جديد 

ايروسنتر( Aerocenter) : موتوري است كه با خارج كردن سيال از اگزوز به سمت عقب، كار مي‌كند و با استفاده از واكنش آن، وسيله نقليه را به جلو مي‌راند. اين ساده‌ترين تعريفي است كه مي‌توان موتور جت داشت. موتورهاي جت و موتورهاي موشك به اين نحو كار مي‌كنند كه يعني هر دو موتورهاي واكنشي به حساب مي‌آيند، با اين تفاوت كه موتور موشك‌ها، تمام خوراك خود را درون خود حمل مي‌كنند و مي‌توانند در محيط خلا نيز فعال باشند ولي موتورهاي جت فقط در اتمسفر كار مي‌كنند.

اصول پايه‌ي كاركرد اين نوع موتورها تقريبا ساده است. هوا از طريق يك مجراي ورودي به بخش كمپرسور وارد شده و متراكم مي‌شود، سپس هواي متراكم وارد محفظه‌ي احتراق شده و با اضافه شدن سوخت مشتعل مي‌شود. گرماي ناشي از احتراق مخلوط سوخت و هوا، باعث منبسط شدن و جريان يافتن آن به سمت انتهاي موتور مي‌گردد، اين جريان منبسط شونده از ميان پره‌هاي توربيني عبور مي‌كند كه از طريق يك شفت به كمپرسور متصل شده‌اند. هواي منبسط شده، توربين را به گردش در مي‌آورد كه در نتيجه باعث به حركت درآمدن كمپرسور مي‌شود.

موتور توربوجت

موتورهاي توربو جت، بيشتر بر نيروي توليدي از گازهاي خروجي اتكا دارند. در موتورهاي توربوجت، ابتدا، هوا وارد كمپرسور شده و متراكم مي‌گردد. اما چون اين هوا با سرعت نسبتاً زيادي وارد موتور گرديده براي احتراق مناسب نمي‌باشد و بيشتر سوخت مصرف شده، بدون اشتعال هدر مي‌رود. به همين دليل هوا به قسمت ديفيوزر يا همان كاهنده سرعت فرستاده مي‌شود تا از سرعت آن كاسته شود. در ديفيوزر، ابتدا از سرعت هوا كاسته و بر دما و فشار آن افزوده مي‌شود. سپس اين هواي آماده براي احتراق، به اتاقك احتراق فرستاده مي‌شود. در اتاقك احتراق يا Combustion Chamber، هوا ابتدا وارد لوله احتراق گشته، با سوخت مخلوط شده، و سپس محترق مي‌گردد. قسمتي از نيروي حاصله از اين احتراق صرف گرداندن توربين شده و مابقي براي توليد نيروي رانش به كار مي‌رود. گاهي در هواپيماهاي توربوجت، بعد از شيپوره خروجي يا نازل، قسمتي به نام پس سوز يا After Burner قرار مي‌دهند كه بر نيروي تراست مي‌افزايد.

موتور ملي توربوجت اوج كه بر روي جنگنده‌ي كوثر سوار شده است

موتور توربوجت از پنج قسمت اصلي تشكيل شده است :

ورودي يا مدخل

كمپرسور يا متراكم كننده

محفظه احتراق

توربين

نازل يا خروجي

اولين هواپيما مجهز به موتور جت و توربوجت، HE-178 ساخت آلماني‌ها بود. همچنين خطوط مسافربري با هواپيما جت، با بكارگيري هواپيما بوئينگ 707 و دي. سي. هشت ساخت مگ دانل داگلاس، آغاز بكار كردند.

ورودي يا مدخل

اين قسمت اولين بخش است كه هواي ورودي به موتور از آن مي‌گذرد. اين بخش يك مجراي همگرا يا واگرا است و وظيفه‌ي آن كاهش سرعت و يكنواخت كردن جريان هواي ورودي به موتور است. اگر سرعت هواي ورودي به كمپرسور زياد باشد، سرعت هوا در نوك پره‌هاي آن به سرعت صوت مي‌رسد و براي گردش كمپرسور نيروي زيادي صرف خواهد شد. اگر سرعت هواي ورودي زير صوت بود، اين مدخل واگرا خواهد بود. اگر سرعت بالاي سرعت صوت بود (ما فوق صوت) باشد، اين مجرا همگرا خواهد بود. زيرا رفتار جريان ما فوق صوت و زير صوت بر عكس هم است. در يك جريان مافوق صوت هوا در عبور از يك مجراي همگرا سرعتش كم مي‌شود و در سرعت‌هاي زير صوت بر عكس؛ بنابراين مدخل هواپيماهاي زير صوت واگرا است تا سرعت را كاهش دهد و كمكي نيز براي كمپرسور باشد.

كمپرسور يا متراكم كننده

هوا بعد از مدخل وارد كمپرسور مي‌شود. وظيفه كمپرسور فشرده كردن هوا است. كمپرسورها به دو گروه اصلي تفسيم مي‌شوند:

كمپرسورهاي گريز از مركز

كمپرسورهاي جريان محور

محفظه احتراق

هواي فشرده به سمت محفظه‌ي احتراق رانده شده و بعد از تزريق سوخت توسط سوخت پاش‌ها (انژكتورها)، به دماي بين 800 تا 1200 درجه‌ي سانتيگراد مي‌رسد. اين بخش را با آلياژي مقاوم در برابر دماي (دماي حاصل از احتراق) و فشار بالا مي‌پوشانند.

توربين

قدرت و توان مورد نياز براي گردش كمپرسور توسط توربين تامين مي‌شود. شكل توربين شبيه به كمپرسور است اما با اين تفاوت كه به كمپرسور كار داده مي‌شود تا هوا را فشرده كند ولي در توربين از جريان گازهاي گرم عبوري كار گرفته مي‌شود. به مجموعه كمپرسور، توربين و محور رابط (محور انتقال دهنده نيرو جهت گردش، از توربين به كمپرسور) اسپول مي‌گويند. هر موتور توربوجت داراي يك اسپول مي‌باشد اما بعضي از موتورها، داراي دو يا چند اسپول مي‌باشند.

نازل يا خروجي

محل خروج گازهاي عبوري از توربين است. در نهايت اين نازل است كه نيروي پيشرانه موتور توربوجت را توليد مي‌كند.

پيشرانه‌هاي بيرون‌سوز يا احتراق خارجي

در پيشرانه‌هاي برون‌سوز يا احتراق خارجي، سيال عامل توسط انرژي حاصل از احتراق يك سيال ديگر گرم شده و كار لازم طي چرخه‌ي ترموديناميكي توسط اين سيال عامل انتقال انرژي بين سيال عامل و سيال خارجي توسط مبدل حرارتي انجام مي‌شوند. از مطرح‌ترين اين دسته از پيشرانه‌ها مي‌توان به مانند موتور بخار، توربين بخار و موتور استرلينگ اشاره كرد.

موتور بخار

«موتور بخار» (steam engine) نوعي موتور گرمايي است كه از بخار به عنوان «سيال عملياتي» (working fluid) براي توليد كار مكانيكي استفاده مي‌‌كند. البته انواع باستاني اين فناوري به صورت عملي قابل استفاده نبودند؛ با اين حال آخرين نسخه‌هايي كه از موتور بخار، طي انقلاب صنعتي طراحي و توليد شد، به مهم‌ترين منبع توليد انرژي مكانيكي تبديل گشت. موتور بخار به عنوان موتور اصلي پمپ‌ها و لكوموتيوها، كشتي‌هاي بخار و تراكتور استفاده مي‌شد و دليل اصلي انقلاب صنعتي بود. توربين‌هاي بخار گونه‌اي از موتور بخار هستند كه همچنان به صورت گسترده به عنوان ژنراتور الكتريسيته مورد استفاده قرار مي‌گيرند، اما نمونه‌هاي قديمي تر موتور بخار، تقريبا به طور كامل با موتورهاي درون‌سوز و موتورهاي الكتريكي جايگزين شده‌اند.

پيشينه‌ي موتور بخار طولاني است و به دو هزار سال پيش برمي‌گردد. اولين موتور بخار مقرون به صرفه از انديشه متخصصين اقتصادي، تا سال 1712 ظهور نكرد. تا اين كه بالاخره، با كمك اختراعات ساوري و «دنيس پايين» (Denis Papin)، موتور اتمسفري توسط «توماس نيوكامن» (Thomas Newcomen) راه را براي انقلاب صنعتي هموار كرد.

موتور نيوكامن بازده نسبتا بالايي داشت و عموما براي پمپ كردن آب مورد استفاده قرار مي‌گرفت. براي نمونه در معادن براي كشيدن آب جمع شده در چاه‌ها از اين موتور استفاده مي‌شد؛ كاري كه تا آن زمان ممكن نبود. از اين موتور بخار همچنين براي پمپ‌ كردن آب به منظور گرداندن چرخ‌هاي آبي، در كارخانه‌هايي دور از يك منبع آب با ارتفاع بالا استفاده مي‌شد.

قدم بعدي هنگامي برداشته شد كه «جيمز وات» (James Watt) نوع پيشرفته‌ي موتور نيوكومن را طراحي كرد و ساخت. موتور وات به ميزان 75 درصد در مصرف زغال‌سنگ نسبت به نوع قبلي خود صرفه‌جويي داشت. وات موتور بخار خود را توسعه داد تا به فناوري حركت گردان يا چرخشي مناسب براي استفاده در كارخانه‌ها تبديل گردد. اين فناوري به صنعت اجازه داد تا جايي غير از كنار رودخانه‌ها بنا شوند و سرعت انقلاب صنعتي را افزايش داد.

گرما از سوخت در حال احتراق دريافت مي‌گردد. اين گرما در يك ديگ بخار با فشار بالا به آب انتقال پيدا مي‌كند و منجر به توليد بخار اشباع مي‌شود. اين بخار دمايي مساوي با آب در حال جوش دارد. اين دما نيز به فشار بخار داخل ديگ وابسته است. براي فهم بهتر تصور كنيد كه آب در ارتفاعات بالاتر با فشار كمتر، در دماي پايين‌تري مي‌جوشد.

بخار در اين مرحله بازهم گرم مي‌شود تا به حالت «فوق جديد» (super heat vapor) يا بخار خشك تبديل گردد. اين مرحله، انرژي سيال عملياتي را بالا مي‌برد و منجر به عملكرد بهتر موتور يا توربين مي‌شود. بخار توليد شده وارد موتور مي‌شود و پيستون را هل مي‌دهد. حركت پيستون نوعي از انرژي مكانيكي است كه گاهي به حركت دوراني تبديل مي‌گردد. بخار كم‌فشار و سرد استفاده شده در موتور به هوا تخليه مي‌شود. البته دانستن اين نكته ضروري است كه در توربين‌هاي مدرن اين بخار مجددا ميعان و به چرخه برمي‌گردد.

يكي از خوبي‌هاي موتور بخار اين است كه هر نوع سوختي را براي منبع حرارتي مي‌توان در قسمت جوشش به منظور توليد بخار استفاده كرد. ولي به طور معمول، منبع حرارتي با سوختن سوخت‌هايي همچون چوب و زغال، زغال‌سنگ، گاز طبيعي يا سوخت و گرماي توليدي در رآكتور هسته‌اي ايجاد مي‌شود.

موتور بخار نوع جت

مهندس استراليايي «آلن برنز» (Alan Burns) براي اولين بار موتور بخار «نوع جت» (Jet type) را اختراع كرد. اين موتورهاي زيرآبي از فشار بخار بالا براي مكش آب از جلو و سپس خروج پرفشار آن از عقب استفاده مي‌كند. هنگامي كه بخار پرفشار وارد آب و ميعان مي‌شود، با ايجاد يك موج منجر به خروج سريع آب از عقب مي‌گردد. با هدف افزايش بازده، موتور از يك ورودي مقداري هوا نيز به داخل مي‌مكد كه منجر به توليد حباب‌هاي هوا و تغيير مكانيسم اختلاط بخار با آب مي‌گردد.برخلاف ديگر موتورهاي بخار ممولي، هيچ قطعه‌ي متحركي در اين نوع تجهيز وجود ندارد و آب خروجي تنها كمي گرم‌تر از آب ورودي است. چنين موتوري را به عنوان پمپ يا همزن نيز مي‌توان مورد استفاده قرار داد.

پيشرانه‌هاي استرلينگ

موتور استرلينگ موتورهاي گرما -كاري هستند كه حرارت را تبديل به جنبش مي‌كنند و نسبت به موتور بنزيني و ديزلي كارايي بيشتري دارند. در چنين موتورهايي هيچ احتراقي صورت نمي‌گيرد و هيچ صدايي انفجاري شنيده هم نمي‌شود و هيچ اگزوزي وجود ندارد. موتورهاي استرلينگ از چرخه استرلينگ استفاده مي‌كند كه شبيه چرخه‌هاي استفاده شده در موتورهاي احتراق داخلي نيست. گاز استفاده شده در داخل موتورهاي استيرلينگ هيچ وقت موتور را ترك نمي‌كند و مانند موتورهاي ديزل و بنزيني سوپاپ دود كه گازهاي پرفشار را تخليه مي‌كند و محفظه احتراق وجود ندارد. به همين علت موتورهاي استيرلينگ بسيار بي صدا هستند و به همين دليل از اين موتورها در موارد خاصي مثل زير دريايي يا قايق خصوصي استفاده مي‌كنند.

چرخه استيرلينگ از يك منبع حراتي خارجي كه مي‌تواند هر چيزي از بنزين و انرژي خورشيدي تا حرارت ناشي از پوسيدگي گياهان باشد استفاده كند و هيچ احتراقي داخل سيلندرهاي موتور رخ نمي‌دهد.

چرخه استرلينگ

قاعده اصلي كار موتور استرلينگ بر مبناي تغيير فاز مقداري گاز محفوظ شده داخل موتور، است. چرخه استرلينگ شامل يك سري رويداد است كه فشار گاز داخل موتور را تغيير مي‌دهد و سبب ايجاد كار مي‌شود. خواص مهمي در گاز محبوس شده در موتور وجود دارد كه براي عملكرد موتورهاي استرلينگ مهم است:

۱- اگر  مقداري گاز محبوس در يك حجم ثابت از فضا داشته باشيد و شما به آن گاز حرارت بدهيد، فشار گاز افزايش خواهد يافت.

۲- اگر مقداري گاز محبوس داشته باشيد و آن را فشرده كنيد (حجم آن را در فضا كاهش دهيد)، دماي آن گاز افزايش خواهد يافت.

سيكل استرلينگ چهار مرحله دارد:

حرارت به گاز داخل سيلندر گرم منتقل شده و سبب ايجاد فشار مي‌شود. اين فشار پيستون را مجبور مي‌كند تا به سمت چپ حركت كند. اين قسمت از سيكل است كه كار انجام مي‌دهد.

هنگامي كه پيستون راست (گرم) به طرف چپ حركت مي‌كند، پيستون چپ بالا مي‌آيد. اين جابجايي گاز جديد را به داخل سيلندر مي راند كه به سرعت، گاز داخل منبع سرد (چپ) را گرم مي‌كند و فشار گاز گرم كاهش مي‌يابد. اين عمل فشرده كردن گاز را در قسمت بعدي سيكل ساده‌تر مي‌كند.

پيستون داخل سيلندر سرد (چپ) شروع به فشرده كردن گاز مي‌كند و گرماي توليد شده توسط اين متراكم سازي، به وسيله منبع سرد حذف مي‌شود.

هنگامي كه پيستون سرد (چپ) پايين مي‌رود، پيستون گرم (سمت راست) به راست مي‌رود. اين عمل گاز را به داخل سيلندر گرم مي‌راند كه به سرعت گرم شده و فشار ايجاد مي‌كند. در اين هنگام سيكل تكرار مي‌شود.

 اين موتور در سه مدل طبقه بندي مي‌شوند :

۱- موتورهاي نوع آلفا: موتور‌هاي نوع آلفا داراي دو سيلندر مجزا، براي فضاهاي تراكم و انبساط بوده، و در هر سيلندر يك پيستون دارند. دو سيلندر به واسطه‌ي گرم كن، بازياب و خنك كن به هم متصل شده‌اند.

۲- موتورهاي نوع بتا: قديمي‌ترين ساختمان موتورهاي استرلينگ مي‌باشد. اختراع رابرت استرلينگ به عنوان اولين موتور استرلينگ داراي ساختمان بتا بوده است. موتورهاي نوع بتا از تركيب پيستون قدرت و جابجا كننده استفاده مي كنند. ساختمان موتور به اين گونه است كه هر دو پيستون در يك سيلندر به طور خطي قرار گرفته‌اند.

۳- موتورهاي نوع گاما: موتور استرلينگ نوع گاما همانند موتور نوع بتا داراي تركيب پيستون و جابجاكننده است. در اين نوع موتور، پيستون و جابجا كننده در دو سيلندر مجزا قرار دارند. موتور استرلينگ گاما نسبت به نمونه‌هاي آلفا و بتا، داراي نسبت تراكم كمتري مي‌باشد. اما به دليل اين‌كه تنها پيستون قدرت نياز به آب‌بندي دارد و همچنين سيلندرها مجزا هستند، از لحاظ مكانيكي ساده ترين آرايش را در ميان ساير چيدمان1دارد.

چرا موتورهاي استرلينگ متداول نيستند؟

دو ويژگي وجود دارد كه ساخت موتورهاي استرلينگ را براي استفاده در بسياري از متخصصدها غير عملي مي‌كند. (موتور قبل از اينكه كار مفيدي ايجاد كند به مقداري زمان نياز دارد كه گرم شود. موتور، نيروي خروجي را به سرعت نمي‌تواند تغيير دهد)

اين موتورها علي‌رغم مزاياي ويژه‌اي كه نسبت به موتور هاي احتراغ داخلي دارند، از يك عيب عمده رنج مي‌رند كه به خاطر نحوه انتقال انرژي گرمايي، توان مورد نياز را با تاخير تامين مي‌كنند.

آينده‌

آن‌چه روشن است، اين است كه حداقل تا ۱۰ تا ۱۵ سال آينده، استفاده از انواع موتورهاي رايج امروزي كه موضوع مقاله‌ي ما بود، با همين گستردگي و ميزان نفوذ ادامه خواهد داشت و جايگزيني آن‌ها با تكنولوژي انقلابي كاملا جديدي ( كه بيايد و دوباره دنيا را متحول كند ) تقريبا غير قابل وقوع است.

اما اتقاقي كه ما را به آينده اميدوار مي‌كند، تكنولوژي خودروهاي هيبريدي در آينده‌ي نزديك و تكنولوژي خودروهاي الكتريكي در افقي دورتر است. اين دو فناوري مادر، مي‌توانند بستر را براي عملي‌سازي اختراعات قديمي كه به دليل محدودهايي كه الان در سيستم موتورهاي رايج وجود دارد، آماده كند و همچنين زمينه ساز اختراعات جديدي شود.

با سپاس از زماني كه براي مطالعه‌ي اين مقاله‌ي جامع صرف كرديد؛ به اميد اين كه در ساخت آينده‌اي بهتر براي تمام بشريت، ما نيز سهيم باشيم. انديشه متخصصين خود را در رابطه با پيشرانه‌هاي احتراق داخلي با ما در ميان بگذاريد.