موتور عبارتست از وسیلهای که قدرت تولید میکند، ولی به تنهایی قادر به تولید کار نمیباشد. به زبان سادهتر موتور وسیلهای که با استفاده از منابع انرژی بخصوص ، انرژی جنبشی تولید میکند. نوع موتور منابع انرژی اولیه متفاوت هستند.
مثلا برخی از موتورها ، انرژی موجود در مواد نفتی را به انرژی جنبشی تبدیل میکنند و برخی دیگر انرژی الکتریکی را و …).
ریشه لغوی
موتور یک کلمه انگلیسی است و معنای آن جنباننده یا محرک میباشد. لیکن در حال حاضر از کلمه موتور به عنوان وسیله تولید انرژی جنبشی استفاده میشود.
موتور یکی از ارکان اصلی خودرو میباشد، که وظیفه اصلی حرکت آن بوسیله موتور با انجام یک سری اعمال خاص امکان پذیر میشود. بر این اساس تلاشهای زیادی در زمینه طراحی و ساخت انواع موتور صورت گرفته است که در حال حاضر نیز بیشتر سرمایه گذاریهای کارخانههای خودرو سازی در این زمینه انجام میشود. تمام موتورهایی که در زندگی بشر مورد استفاده قرار میگیرند انرژی جنبشی را به شکل یک حرکت دورانی (چرخشی) در اختیار مصرف کننده قرار میدهند. موتورها این انرژی را از طریق تبدیل انرژیهای پتانسیل و یا انرژیهای دیگر بوجود میآورند که میتوان بر حسب منبع انرژی اولیه ، موتورها را تقسیم بندی کرد که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد.
بطور کلی میتوان گفت که در پیرامون ما هر وسیلهای که کاری انجام میدهد دارای یک موتور است که حرکت قطعات آن و نیروی مورد نیاز آن وسیله را تأمین میکند. مثلا لوازم خانگی مثل یخچال ، ضبط صوت ، پنکههای تصویه و … همگی دارای یک موتور الکتریکی میباشند و یا اتومبیلهایی که در خیابانها رفت و آمد میکنند هر کدام یک موتور جهت تأمین انرژی جنبشی خود دارند.
تاریخچه
ایده ساخت موتور به زمانهای دور باز میگردد، چنانکه قبل از سالهای ۱۷۰۰ میلادی تلاشهایی جهت مسافت موتورها به شکل امروزی انجام پذیرفته بود (هر چند که موتورهای ساده آبی که انرژی جنبشی آب را به حرکت چرخشی تبدیل میکردند از زمانهای بسیار دورتر ساخته شده و مورد استفاده قرار میگرفتند). لیکن اولین تجربه موفقیت آمیز در این زمینه ، در سال ۱۷۶۹ اتفاق افتاد. در این سال جیمز وات توانست یک موتور بخار اختراع کند که قابلیت استفاده از انرژی محبوس در سوختهای مختلف نظیر چوب و ذغال سنگ را داشت.
سیر تحولی و رشد
مخترعین زیادی سعی کردند که اصول فوق را در موتورها تحقق بخشند. ولی «ان.ای.اتو» مخترع آلمانی اولین کسی بود که موفق گردید. او در سال ۱۸۷۶ موتور خود را به ثبت رساند و دو سال بعد نمونهای را که کار میکرد به معرض نمایش گذاشت. موتور مزبور همان چرخ چهارزمانه یعنی ، تکثیر ، تراکم ، توان و تخلیه را به کار میبست. دانشمندان هم عصر اتو عقیده داشتند که وجود تنها یک مرحله توان در دو دور چرخش زمان بزرگی است (یک موتور چهارزمانه در هر دو دور چرخش تنها یک بار سوخت را می سوزاند به اصطلاح دارای یکبار انفجار یا توان است).
بنابراین نظر خود را به موتور دو زمانه (که در هر دو چرخش یک انفجار دارد) معطوف کردند. این تلاشها تا آنجا ادامه یافت که در سال ۱۸۹۱ «جوزف دی» با کمک گرفتن از محفظه میل لنگ به عنوان یک سیلندر پمپ کننده هوا توانست ساخت موتورهای روزانه را ساده کند. در موتور دی ، مجاری ورودی هوا و خروجی دود در بدنه سیلندر قرار داشت (همان سیستم موتورهای دو زمانه امروزی). در سال ۱۸۹۲ دکتر «رادولف دیزل» یک مهندس آلمانی ، موتوری را به ثبت رساند که در آن سوخت در نتیجه گرمای تولید شده در اثر فشار زیاد ، مشتعل می شد. دیزل در اصل موتور خود را برای کار کردن با پودر ذغال سنگ طراحی کرده بود. اما به سرعت به سوختهای مایع روی آورد.
فعالیتهای انجام شده توسط دانشمندان در طراحی و ساخت موتور و پیشرفتهای حاصله را میتوان مختصرا اینگونه بیان کرد.
ساخت موتورهای بنزینی – انژکتوری در سال ۱۹۳۶
ساخت موتورهای توربینی اتومبیل در سال ۱۹۵۰
ساخت موتور پیستون گردان وانکل در سال ۱۹۵۷
ساختمان موتور
ساختمان موتورها بسیار گوناگون ولی در عین حال از لحاظ اصول کلی بسیار مشابه است. مثلا همه موتورهای احتراقی دارای یک محفظه برای فشرده کردن سیال میباشند که سیلندر نام دارد. یا اینکه همگی دارای یک قطعه متحرک رفت و برگشتی میباشند که پیستون نام دارد و … لیکن ساختار موتورهای برقی متفاوت است. همگی آنها دارای یک سیم پیچ ثابت میباشد که میدان مغناطیسی ایجاد میکند. در میان این سیم پیچ میدان ، یک آرمیچر (روتور) وجود دارد که با تغییرات میدان مغناطیسی انرژی الکتریکی را به انرژی جنبشی تبدیل میکند (به شکل چرخش) و … .
طرز کار موتور
موتورهای الکتریکی از لحاظ تجهیزات و ساختار نسبتا ساده تر از موتورهای احتراقی هستند. البته طرز کار آنها نیز نسبتا ساده تر است. این موتورها با ایجاد یک میدان مغناطیسی و تغییرات مکرر این میدان مغناطیسی باعث به چرخش درآمدن روتور میشوند. و این چرخش توسط میله ای از محفظه موتور خارج و مورد استفاده قرار میگیرد. موتورهای احتراقی بصورت نوسانی کار میکنند یعنی اینکه قطعات متحرک آنها (پیستونها) که قابل انتقال انرژی هستند، حرکت رفت و برگشتی دارند. برای تبدیل این حرکات رفت و برگشتی به حرکت چرخشی وسیلهای به نام میل لنگ استفاده میشود. لیکن در نهایت انرژی جنبشی این موتورها هم بصورت چرخش یک میله از محفظه موتور به خارج فرستاده میشود.
قدم مهم در توسعه موتورهای امروزی (که اغلب موتورهای احتراق داخلی هستند) زمانی برداشته شد که بودورثا مهندس فرانسوی چهار اصل عمده را که برای کار موثر این موتورها الزامی بودند، ارائه کرد. این اصول چهارگانه به قرار زیرند:
اتاقک احتراق باید کوچکترین نسبت سطح به حجم ممکن را داشته باشد.
فرآیند انبساط مخلوط گاز هوا و سوخت باید تا حد امکان سریع انجام شود.
تراکم مخلوط در ابتدای مرحله انبساط باید تا حد امکان زیاد باشد.
کورس پیستون می بایست تا حد امکان زیاد باشد.
انواع موتور
موتورها را بر اساس منبع تامین کننده انرژی به دو دسته موتورهای برقی و موتورهای احتراقی تقسیم می کنند.
موتورهای برقی: اختلاف پتانسیل الکتریکی را به حرکت چرخشی تبدیل می کنند.
موتورهای احتراقی: با سوزاندن مواد سوختی (اغلب سوخت های فسیلی) تولید انرژی می کنند.
موتورهای جت: با مکش هوا کار می کنند.
موتورهای برون سوز: در این موتورها احتراق در بیرون از موتور صورت می گیرد (مانند موتور بخار)
موتورهای درون سوز: در اینگونه موتورها ماده سوختنی مستقیما در داخل موتور سوزانده می شود.
موتورهای درون سوز خود به دو گروه تقسیم می شوند:
موتورهای اشتعال جرقه ای: سوخت به کمک یک جرقه الکتریکی در این موتورها مشتعل می شود.
موتورهای دیزل: در این موتورها سوخت بواسطه حرارت بالای ایجاد شده بوسیله فشار مشتعل می گردد.
کاربردها
کاربرد موتورها امروزه آن چنان وسیع است که ذکر آنها به یک زمان طولانی نیازمند است. اکثر لوازم خانگی نظیر یخچال ، چرخ گوشت ، آب میوه گیری ، ماشین لباسشویی ، جارو برقی ، پنکههای تهویه و … همچنین تمام وسایل نقلیه مورد استفاده نظیر اتومبیلها ، اتوبوسها ، کامیونها ، هواپیماها ، قطارها و کشتیها همگی از موتورهای مختلف استفاده میکنند.
در تمام قسمتهای یک کارخانه صنعتی و سایر وسایل و تجهیزات بکار رفته در بخش صنعت از موتورها استفاده میشوند. در بخشی کشاورزی جهت تامین منابع انرژی مثل ماشین آلات آسیابها ، پمپهای آب و غیره از موتورهای برقی و احتراقی استفاده میشود و … .
نقش موتورها در زندگی روزمره
با توجه به کاربردهایی که در بالا برای موتورها ذکر شد به جرات میتوان گفت بدون وجود و استفاده از موتورها تمدن بشری به معنای امروزی معنا نخواهد داشت. چنانچه از منابع تولید انرژی (موتورها) صرفنظر کنیم شاید شکل زندگی به حالت قبایل بدوی برگردد. عملا زندگی امروزی ما آنچنان به منابع تولید توان وابسته است که زندگی بدون این تجهیزات برای انسان قابل تصور نیست.
واژه شناسی خودرو:
خودرو ترجمه کلمه لاتینvehicle میباشد که معنی گسترده ان به شرح زیر است:
هر نوع وسیله چرخدار یا بدون چرخ که باعث سهولت در جابجایی انسان یا بار شود خودرو نامیده میشود مانند ( دوچرخه ، درشکه ، موتورسیکلت ، اتومبیل ، هواپیما و هلیکوپتر و…) البته کلمه خودرو شامل انواع غیر موتوری ان نیز میشود
به طور مثال اولین خودروی بادی که مجهز به چرخ و سیستم چرخدنده بود توسط یک ایتالیایی به نام Guido da Vigevano اختراع شد. البته اچه که در اذهان وجود دارد معنی عام ان به نام اتومبیل است که منظور همان خودروهای سواری میباشد.
تقسیم بندی خودرو:
معیار تقسیم بندی خودرو گوناگون میباشد که معمولا بر موارد زیر استوار است:
نوع موتور:درونسوز, برونسوز.
نوع سوخت: بنزین , گازوییل ,گازو…..
دسته بندی از نظر تعداد مسافر یا حجم بار ( سواری – سبک ….. سنگین)
دسته بندی از نظر تعداد مسافر یا حجم بار ( سواری – سبک ….. سنگین)
دسته بندی از نظر شکل موتور ( ایستاده یا خطی – خوابیده – وی شکل یا خورجینی – ستاره ای …) و….
قسمتهای اصلی و اساسی هر خودرو:
قسمت مولد قدرت فقط موتور خودرو را شامل میگردد
قسمت انتقال قدرت که شامل جعبه, دندهمیل, گاردان….,کلاچ
قسمت تعلیق : فنربندی های خودرو جرء این دسته میباشند
شاسی و بدنه : معمولا مجموعه سیستم ها ی خودر روی شاسی نصب میشوند و بدنه مکانیست برای جابجایی مسافر یا حمل بار
فرمان و چرخها :شامل جعبه فرمان و اهرمهای فرمان بندی و چرخها
تجهیزات برقی: شامل مجموعه باتری ، سیستم راه اندازی ، سیستم شارژ ، جرقه……
هر چند که درباره ی موتور به طور مفصل بحث خواهد شد ولی در این تاپیک قصد داریم تاریخچه ای از موتور یا به قولی “قلب تپنده ماشین” به دوستان ارایه
دهیم.
تاریخچه موتور
یک موتور احتراق داخلی (internal combustion engine) به موتوری گفته می شود که انفجار سوخت (fuel) یک پیستون را درون سیلندر به حرکت در می آورد. حرکت پیستون یا مونتوم پیستون، چرخ لنگر یا میل لنگ (Crankshaft) را به چرخش در می آورد که بعد از چرخش توسط سیستم انتقال قدرت به چرخش در آورده می شود. در موتورهای احتراق داخلی سوخت هایی نظیر: بنزین، گازوئیل، نفت سفید (nerosene) استفاده می شود.
مختصری از روند تکامل موتورهای احتراق داخلی به شرح زیر است:
- در سال ۱۶۸۰۲ میلادی Christian Huygens , Dutchphysicist اولین موتور احتراق داخلی را که توسط باروت (gunpowder) مشتعل میشود را طراحی کردند اما هرگز ساخته نشد.
- در سال ۱۸۰۷ میلادی، Francois isac deaivaz اهل هلند اولین موتور احتراق داخلی را که بوسیله ترکیبی از هیدروژن و اکسیژن کار می کرد را بوجود آوردند که اولین طراحی بسیار موفق بود.
- در سال ۱۸۲۴ یک مهندس انگلیسی اولین خودروی بخار ار که با سوخت گاز کار می کرد را برای حرکت دادن خودرویی به بالای تپه Shooters اختراع کرد.
- در سال ۱۸۵۸ مهندس بلژیکی موفق به اختراع و همچنین ثبت حق امتیاز یک موتور دو طرفه که مجهز به سیستم احتراق شمع (Spark-ignition) و تغذیه بوسیله زغال سنگ (coalgas) شد. در سال ۱۸۶۳ Lonoir با اضافه کردن سوخت بنزین و همچنین یک کاربراتور قدیمی نوع دیگری را اختراع کرد که یک واگن سه چرخه را به حرکت در می آورد.
- در سال ۱۸۶۴ یک مهندس استرالیایی موفق به ساخت موتور یک سیلندره شد که موتور خود را به یک ارابه برای پیمودن مسیر صخره ای متصل کرد. چند سال بعد خودرویی را طراحی کرد که با سرعت ۱۰۰mph حرکت می کرد ولی خودروی او را به عنوان اولین خودرو مدرن مورد توجه ندارند.
- در سال ۱۸۷۳ جورج بیتون مهندس امریکایی اولین موتور دوزمانه که با سوخت نفت سفید کار می کرد مورد توجه قرار داد ولی به نتیجه نرسید. ولی کار تجربی او به عنوان اولین موتور نفتی مورد توجه قرار گرفت.
- در سال ۱۸۶۶ Longen,otto بر روی موتور پیش ساخته دیگری کار کردند و راندمان موتور را به صورت قابل توجهی بالا بردند.
- در سال ۱۸۷۶ otto موفق به ثبت و اختراع اولین موتور ۴ زمانه شد.
- در سال ۱۸۷۶ Dovgaldcleru, اولین موتور دو زمانه را طراحی کرد.
- در سال ۱۸۸۳ یک مهندس فرانسوی به نام Delamare موتور چهار زمانه تک سیلندر را ساخت. به طور حتم مشخص نیست که او به راستی خودرویی برای موتور خود ساخته باشد.
اما به هرحال کار او پیشرفت قابل ملاحظه ای البته تا قبل از زمان دایملر و بنز بود.
- در سال ۱۸۸۵دایملر اولین موتور را که به عنوان نمونه اولیه موتورهای امروزی است را ساخت با سیلندرهای عمودی و تزریق بنزین و کاربارتور، او همچنین یک خودرو برای موتور خود طراحی کرد که دارای ۲ چرخ بود.
- در سال ۱۸۸۶ کارل بنز حق امتیاز ماشین های تزریق سوخت را به نام خود ثبت کرد.
- در سال ۱۸۸۹ دایملر اولین موتور چهار زمانه خود را که دارای سوپاپ های قارچی شکل (mushroomn shoped valvalve) بودند و همچنین سیلندرهای مورب داشتند را پیشرفت داد.
- در سال ۱۸۹۰ می باخ اولین موتور چهار زمانه چهار سیلندر را تولید کرد.
(همانطور که مستحضرید می باخ و دایملر و بنز هم اکنون از کمپانی های بزرگ تولید ماشین هستند.)
بعد از تولید موتورهای چهار زمانه و چهار سیلندر این نوع موتورها روند تکاملی داشته تا روند جایگزینی.
موتورهای ونکل در مقوله ای جدا از موتور های چهار سیلندر است و هم اکنون امتیاز ان مربوط به شرکت مزدا میباشد که در اینده به طور مفصل توضیح داده خواهد شد.
منابع:
