موتور پیستونی

یک موتور رفت و برگشتی ، که اغلب به عنوان موتور پیستونی نیز شناخته می شود، معمولاً موتور حرارتی است (اگرچه موتورهای رفت و برگشتی پنوماتیکی و هیدرولیکی نیز وجود دارند) که از یک یا چند پیستون رفت و برگشتی برای تبدیل فشار به یک حرکت چرخان استفاده می کند. در این مقاله به توصیف ویژگی های مشترک انواع مختلف می پردازیم.

انواع اصلی موتورهای پیستونی

1. موتور احتراق داخلی ، که به طور گسترده در وسایل نقلیه موتوری استفاده می شود.
2. موتور بخار ، پایه اصلی انقلاب صنعتی
3. موتور استرلینگ با کاربرد بهینه. موتورهای احتراق داخلی به دو روش دیگر طبقه بندی می شوند: یا موتور اشتعال جرقه ای (SI) ، که در آن جرقه شمع احتراق را شروع می کند؛ یا موتور احتراق تراکمی (CI)، که هوا درون سیلندر فشرده می شود، بنابراین آن را گرم می کند، به طوری که هوای گرم شده سوخت را که در آن زودتر یا دیرتر تزریق می شود، مشتعل کند.

بیشتر بخوانید: موتور احتراق داخلی

ویژگی های مشترک در انواع موتورهای پیستونی

ممکن است یک یا چند پیستون وجود داشته باشد. هر پیستون درون یک سیلندر قرار دارد که در آن یک گاز وارد می شود ، یا از قبل تحت فشار (به عنوان مثال موتور بخار) قرار دارد، یا درون سیلندر گرم می شود یا با احتراق مخلوط هوای سوخت (موتور احتراق داخلی) یا با تماس با مبدل حرارتی گرم در سیلندر (موتور استرلینگ). گازهای گرم انبساط می یابند و پیستون را به پایین سیلندر فشار می دهند. این موقعیت همچنین به عنوان نقطه مرگ پایین (BDC) شناخته می شود، یا جایی که پیستون بیشترین حجم را در سیلندر تشکیل می دهد. پیستون توسط یک فلایویل به بالای سیلندر (نقطه مرگ بالا) (TDC) باز می گردد ، قدرت سایر پیستون های به همان شافت متصل بوده یا (در یک سیلندر دوتایی) با همان فرآیند در طرف دیگر پیستون عمل می کند. اینجاست که پیستون کمترین حجم را در سیلندر تشکیل می دهد. در اکثر مدل ها، گازهای منبسط یا خروجی توسط این مرحله زمانی از سیلندر خارج می شوند. استثناء این موتور استرلینگ است که بارها و بارها همان مقدار آب بندی شده گاز را گرم و سرد می کند. طول پیمایش به سادگی فاصله بین TDC و BDC یا بزرگترین مسافتی است که پیستون می تواند از یک جهت طی کند. در بعضی از طرح ها پیستون ممکن است از هر دو جهت در سیلندر تغذیه شود ، در این حالت گفته می شود که دارای عملکرد دوتایی است.

بیشتر بخوانید: تاریخچه موتور خودرو

یک نمودار شماتیک برچسب شده از یک موتور بخار با فشار بالای دوبل عمل کننده ​​و تک سیلندر ساده با انبساط ساده. استخراج نیرو از موتور از طریق كمربند است.

1. پیستون
2. شاتون (میله پیستون)
3. بلبرینگ
4. میله اتصال
5. میل لنگ (کرانک شفت)
6. حرکت دریچه ای غیر متمرکز
7. فلایویل
8. شیر کشویی
9. گاورنر گریز از مرکز

در اکثر انواع ، حرکت خطی پیستون از طریق میله اتصال و میل لنگ یا به وسیله یک صفحه میلگرد یا مکانیزم مناسب دیگر به یک حرکت چرخشی تبدیل می شود. یک فلایویل معمولاً برای اطمینان از چرخش نرم و یا برای ذخیره انرژی برای راندن موتور از طریق بخش غیرتوانی چرخه استفاده می شود. به طور کلی هر موتور که دارای سیلندر بیشتری باشد، بدون لرزش تر (هموارتر) کار می کند. قدرت موتور رفت و برگشتی متناسب با حجم جابجایی پیستون های ترکیبی است.

باید یک آببند بین پیستون کشویی و دیواره های سیلندر ایجاد شود تا گاز فشار بالا در بالای پیستون از آن درز نکند و از راندمان موتور کاسته نشود. این آببند معمولاً توسط یک یا چند رینگ پیستون تهیه می شود. این رینگ ها از فلز سخت ساخته شده اند و در یک شیار مدور در سر پیستون قرار داده می شوند. رینگ ها کاملا در شیار قرار می گیرند و به آرامی بر روی دیواره سیلندر فشرده می شوند تا آببند شود و هنگامی که فشار احتراق بالاتر دور سطح داخلی دیواره منتقل می شود، فشار بیشتری پیدا می کنند.

معمولاً طبقه بندی چنین موتورهایی براساس تعداد و تراز سیلندرها و حجم کلی جابجایی گاز توسط پیستونهای در حال حرکت در سیلندرها که معمولاً به سانتیمتر مکعب (cm³ یا cc) یا لیتر (l) اندازه می گیرند: به عنوان مثال ، برای موتورهای احتراق داخلی ، طرح های تک و دو سیلندر در وسایل نقلیه کوچکتر مانند موتور سیکلت متداول است ، در حالی که اتومبیل ها به طور معمول بین چهار تا هشت سیلندر دارند و لوکوموتیو ها و کشتی ها ممکن است دارای دوجین سیلندر یا بیشتر باشند. ظرفیت سیلندر در موتورهای مدل ممکن است از 10 سانتی متر مکعب یا کمتر تا هزاران لیتر در موتور کشتی ها باشد.

نسبت فشرده سازی بر عملکرد در اکثر انواع موتورهای رفت و برگشتی تأثیر می گذارد. این نسبت بین حجم سیلندر است، هنگامی که پیستون در انتهای طول پیمایش خود قرار دارد، و حجم زمانی که پیستون در بالای طول پیمایش خود است.

نسبت قطر / طول پیمایش ، نسبت قطر پیستون یا "متهور" به طول پیمایش درون سیلندر یا "طول پیمایش" است. اگر این حدود 1 باشد موتور گفته می شود "مربعی" است ، اگر بیشتر از 1 باشد ، یعنی قطر بزرگتر از طول پیمایش است ، "بالا مربعی" است. اگر کمتر از 1 باشد ، یعنی طول پیمایش از قطر بزرگتر است ، "زیر مربعی" است.

سیلندرها ممکن است به صورت خطی ، در یک پیکربندی V شکل ، به صورت افقی مقابل یکدیگر یا به صورت شعاعی در اطراف میل لنگ قرار بگیرند. موتورهای پیستون مخالف دو پیستون را در انتهای مخالف همان سیلندر بکار می گیرند و این به ترتیب مثلثی مانند Napier Deltic گسترش یافته است. بعضی از طرح ها سیلندرها را در اطراف شافت حرکت می دهند ، مانند موتور دوار.

موتور پیستون استرلینگ Rhombic Drive - Beta Stirling Engine Design ، دومین پیستون جابجایی (سبز) درون سیلندر را نشان می دهد ، که گاز کار را بین انتهای گرم و سرد خنثی می کند ، اما خود هیچ نیرویی تولید نمی کند.

• 1- دیواره سیلندر داغ
• 2- دیواره سیلندر سرد
• 5- جابه جا کننده پیستون
• 6- پیستون توان
• 7- فلایویل

در موتورهای بخار و موتورهای احتراق داخلی ، سوپاپ ها لازم هستند که اجازه ورود و خروج گازها در زمان های مناسب در چرخه پیستون را بدهند. این کارها توسط بادامکها ، خروج از مرکزها یا میل لنگ ها انجام می شود که توسط شافت موتور رانده می شوند. در طرح های اولیه از شیر کشویی D استفاده شده است اما این مورد تا حد زیادی توسط طرح های شیر پیستون یا شیر دریچه Poppet کنار گذاشته شده است. در موتورهای بخار، نقطه ای از چرخه پیستون که در آن شیر ورودی بخار بسته می شود ، قطع نامیده می شود و این اغلب می تواند برای تنظیم گشتاور عرضه شده توسط موتور و بهبود کارآیی کنترل شود. در برخی از موتورهای بخار، عملکرد شیرها را می توان با یک سیلندر نوسانی جایگزین کرد.

موتورهای احتراق داخلی با دنباله ای از پمایش ها كار می كنند كه گازها را به داخل سیلندر وارد كرده و از آن خارج می كنند. این کارها بصورت چرخه ای تکرار می شوند و گفته می شود یک موتور 2 زمانه ، 4 زمانه یا 6 زمانه بسته به تعداد پیمایش که برای تکمیل یک چرخه در نظر گرفته می شود، نام گذاری می شود.

در بعضی از موتورهای بخار، سیلندرها می توانند از نظر اندازه متفاوت باشند و کوچکترین قطر سیلندر با بالاترین فشار بخار کار کند. سپس این از طریق یک یا چند سیلندر مرتبا به طور فزاینده به سیلندر بزرگتر تغذیه می شود تا در فشارهای بسیار کم، نیرو از بخار خارج شود. به این موتورها موتورهای مرکب گفته می شود.

گذشته از نگاه به قدرتی که موتور قادر به تولید باشد، میانگین فشار کارآمد (MEP) ، می تواند در مقایسه توان خروجی و عملکرد موتورهای برگشتی با همان اندازه نیز مورد استفاده قرار گیرد. میانگین فشار مؤثر، فشار ساختگی است که می تواند همان مقدار خالص کار تولید شده در چرخه پیمایش را تولید کند. این توسط:

Wnet = MEP=طول پیمایش*سطح پیستون MEP* حجم جابجایی

و بنابراین:

MEP = Wnet حجم جابجایی /

هر موتور با MEP بیشتر در هر چرخه کار خالص بیشتری تولید می کند و کارایی بیشتری دارد.

تاریخچه موتورهای پیستونی

یک نمونه شناخته شده اولیه از حرکت دوار به حرکت برگشتی ، مکانیزم لنگ است. نخستین میل لنگ های دست ساز در چین در دوره سلسله هان ظاهر شدند (202 پیش از میلاد - 220 میلادی). چینی ها میله میل لنگ و متصل کننده را برای خلع سلاح های عملیاتی تا زمان سلسله غربی هان (202 قبل از میلاد - 9 میلادی) استفاده می کردند. سرانجام از میله های میل لنگ و اتصال در تبدیل حرکت دوار و متقابل برای سایر کاربردها مانند دستگاه های الک کردن آرد ، دستگاه های ابریشمی چرخ ، چرخ های چرخشی گنج و حلقه های کوره ای که توسط اسب ها یا آبراه ها رانده می شد، استفاده شد. چندین کارخانه اره در آسیای رومی و بیزانس سوریه طی سده های 3 تا 6 میلادی مسیحی دارای مکانیسم میله ای و اتصال دهنده بودند که حرکت چرخشی یک چرخ آب را به حرکت خطی پره های اره تبدیل می کرد. در سال 1206، مهندس عرب الجزاری میل لنگ را اختراع کرد.

موتور رفت و برگشتی در قرن 18 در اروپا توسعه یافت ، ابتدا به عنوان موتور جوی و سپس بعداً به عنوان موتور بخار. اینها توسط موتور استرلینگ و موتور احتراق داخلی در قرن 19 دنبال شد. امروزه متداول ترین شکل موتور برگشتی موتور احتراق داخلی است که بر روی احتراق بنزین، دیزل، گاز پترولیوم مایع (LPG) یا گاز طبیعی فشرده شده (CNG) کار می کند و از آن برای وسایل نقلیه موتوری و نیروگاه های موتور استفاده می شود.

یکی از موتورهای قابل توجه در دوره جنگ جهانی دوم موتور شعاعیPratt & Whitney R-4360 "Wasp Major" 28 سیلندر ، 3500 اسب بخار (2600 کیلو وات) بود. این هواپیما آخرین نسل هواپیماهای بزرگ پیستونی را پیش از موتورهای جت و توربوپروپ ها از سال 1944 به بعد نیرو می داد. این موتور از کل ظرفیت 71.5 لیتری (4،360 اینچ مکعب) و نسبت قدرت به وزن بالایی برخوردار است.

بزرگترین موتور رفت و برگشتی تولیدی در حال حاضر ، اما نه بزرگترینی که تا بحال ساخته شده ، Wärtsilä-Sulzer RTA96-C توربوشارژ موتور دیزلی دو زمانه 2006 است که توسط Wärtsilä ساخته شده است. از این نیرو برای بزرگترین کشتی های کانتینر مدرن مانند Emma Mærsk استفاده می شود. این موتور پنج طبقه بلند ارتفاع (13.5 متر یا 44 فوت)، 27 متر (89 فوت) طول دارد و بیش از 2300 تن (2.500 تن کوتاه) در بزرگترین نسخه 14 سیلندری آن تولید شده که بیش از 84.42 مگاوات (114،800 اسب بخار) تولید می کند. هر سیلندر دارای ظرفیت 1820 L (64 Cu ft) است و در کل ظرفیت 25480 L (900 Cu فوت) را برای بزرگترین نسخه ها ایجاد می کند.

ظرفیت موتورهای پیستونی

برای موتورهای پیستونی ، ظرفیت موتور، جابجایی موتور است ، به عبارت دیگر حجم جابجایی تمام پیستون های یک موتور. این برای موتورهای بزرگتر به طور کلی در لیتر (L) یا اینچ مکعب (c.i.d. ، cu in یا in³) اندازه گیری می شود و برای موتورهای کوچکتر سانتی متر مکعب (اختصار سی سی). با تمام وجود برابر بودن، موتورهای با ظرفیت بیشتر قدرت بیشتری دارند و مصرف سوخت بر این اساس افزایش می یابد (اگرچه این در مورد تمام موتورهای Reciprocating صحیح نیست)، اگرچه قدرت و مصرف سوخت در بسیاری از موارد خارج از جابجایی موتور تحت تأثیر قرار می گیرد.

توان موتورهای پیستونی

موتورهای برگشت پذیر را می توان با توان مخصوص خود توصیف کرد، که معمولاً در کیلووات در هر لیتر جابجایی موتور (در ایالات متحده آمریکا نیز اسب بخار در هر اینچ مکعب) ارائه می شود. نتیجه تقریبی بازده توان اوج یک موتور را ارائه می دهد. این با کارآیی سوخت نباید اشتباه گرفته شود ، زیرا راندمان بالا اغلب به نسبت سوخت هوای فقیر و در نتیجه چگالی توان کمتری نیاز دارد. یک پیشرانه پیشرفته کاربرد بالای اتومبیل مدرن بیش از 75 کیلووات بر لیتر (1.65 اسب بخار در اینچ) تولید میکند.

انواع دیگر موتورهای پیستونی

1- سایر انواع احتراق غیر داخلی مدرن

موتورهای رفت و برگشتی که از طریق هوای فشرده ، بخار یا سایر گازهای گرم استفاده می شوند ، هنوز در برخی از کاربردها مانند راندن بسیاری از اژدرهای مدرن یا به عنوان نیروی محرک بدون آلودگی استفاده می شوند. بیشتر کاربردهای بخار ران از توربین های بخار استفاده می کنند که از موتورهای پیستون کارایی بیشتری دارند.

وسایل نقلیه FlowAIR با طراحی فرانسوی از هوای فشرده شده در سیلندر استفاده می کنند تا موتور معکوس را در یک وسیله نقلیه شهری بدون آلودگی محلی هدایت کنند.

اژدرها ممکن است از گاز کاری تولید شده توسط پراکسید تست بالا یا سوخت اتو II استفاده کنند، که بدون احتراق تحت فشار قرار می گیرد. به عنوان مثال ، 230 کیلوگرم وزن (510 پوند) مارک 46 اژدر می تواند 11 کیلومتر (6.8 مایل) زیر آب را با سرعت 74 کیلومتر در ساعت (46 مایل در ساعت) که با سوخت اتو و بدون اکسیدان رانده می شود، طی کند.

2- موتور گرمایی کوانتومی

موتورهای گرمای کوانتومی دستگاه هایی هستند که از گرما نیرویی تولید می کنند که از یک مخزن گرم به مخزن سرد جریان می یابد. مکانیسم عملکرد موتور را می توان با قوانین مکانیک کوانتومی توصیف کرد. یخچال های کوانتومی دستگاه هایی هستند که با هدف پمپاژ گرما از سرما به مخزن گرم، انرژی مصرف می کنند.

در یک موتور گرمای کوانتومی رفت و برگشتی ، محیط کار یک سیستم کوانتومی مانند سیستم های چرخش یا یک نوسان ساز هارمونیک است. چرخه کارنو و چرخه اتو مواردی هستند که مورد مطالعه قرار گرفته اند. نسخه های کوانتومی از قوانین ترمودینامیک پیروی می کنند. علاوه بر این، این مدل ها می توانند فرضیات ترمودینامیک قابل برگشت را توجیه کنند. یک مطالعه نظری نشان داده است که ساخت یک موتور رفت و برگشتی که از یک اتم نوسان کننده منفرد تشکیل شده باشد ، ممکن و عملی است. این زمینه برای تحقیقات آینده است و می تواند کاربردهایی در فناوری نانو داشته باشد.

شما عزیزان نیتوانید قطعات لوازم یدکی کیا و یا دیگر خودروها را با قیمت و کیفیت مناسب از پارتستان تهیه کنید برای اینکار فقط کافیست تا با کارشناسان ما تماس حاصل فرمایید.