دیزل یعنی چه ؟

آقای رودلف کریستین کارل دیزل در سال ۱۸۵۸ در پاریس به دنیا آ مد. رودلف فرزند خانواده ای کم درآمد و پر جمعیت بود ولی سعی و تلاش و جدیت در کار او را به مرتبه ای رساند که یکی از معروفترین محصولات ساخت بشر را به اسم او نام گذاری کردند. دیزل خواهان راندمان احتراقی بالاتر و مصرف سوخت پایین تر در موتورهای درون سوز بود. راه حل پیشنهادی دیزل بکار گیری یک موتور درون سوز با ضریب تراکم بالاتر و سوخت مصرفی سنگین تر بود. بر طبق قانون « بویل ـ ماریوت »، بین کاهش حجم و افزایش فشار گازها همواره نسبت ثابتی وجود دارد یعنی هر چه گازها فشرده تر کنیم، بر فشار آنها افزوده ایم. وقتی فشار و جنبش مولکولی یک گاز افزایش پیدا کند بر حرارت آن نیز افزوده خواهد شد و این دقیقاً پایه و اساس سیکل دیزل است. تفاوت عمده موتورهای بنزینی و دیزل در نحوه احتراق سوخت آنهاست بدین شکل که در موتورهای بنزینی مخلوط سوخت و هوا پس از فشرده شدن توسط جرقه شمع محترق می شود ولی در موتورهای دیزل هوا به تنهایی متراکم وگرم می شود و سپس بر اثر پاشش یا تزریق گازوئیل، عمل احتراق صورت می گیرد.
● چهار سیکل اساسی در موتورهای دیزل چهار زمانه عبارتند از :
▪ مشکش :
در این سیکل پیستون در نقطه مرگ بالا قرار گرفته و سوپاپ هوا باز است. بر اثر پایین رفتن پیستون در سیلندر اختلاف فشار ایجاد شده و هوا به درون سیلندر مکیده می شود.
▪ تراکم :
در این مرحله هر دو سوپاپ دود و هوا بسته شده اند و هوا درون سیلندر گیر افتاده. براثر بالا آمدن پیستون هوای درون سیلندر فشرده و گرم می شود.
▪ انفجار یا احتراق :
در این سیکل پیستون به نقطه مرگ بالا برگشته و هوای درون سیلندر کاملاً فشرده و گرم شده است. حالا گازوئیل به درون محفظه احتراق تزریق می شود و بر اثر برخورد با توده هوای گرم و فشرده محترق می شود. عمل احتراق با افزایش ناگهانی فشار همراه است بنابراین پیستون با فشار زیاد به پایین هل داده می شود. در این سیکل است که «کار مفید » انجام می شود.
▪ تخلیه :
کمی قبل از رسیدن به پیستون به نقطه مرگ پایین سوپاپ دود باز شده و دود حاصل از احتراق از سیلندر خارج می شود.
راهکارهایی برای بهبود عملکرد موتورهای دیزل به جرات می توان کفت که تا کنون هیچ نوع موتور درون سوزی به اندازه موتورهای دیزل مورد بازنگری و بهینه سازی قرار نگرفته.
● در این بین « شمع گرمکن » ، «توربو چارجر» ، «انژکتور برقی» ، «اینتر کولر» و ده ها مورد دیگر نقش عمده ای در افزایش توان و کاهش مصرف سوخت موتورهای دیزل داشته اند. بیایید این موارد را به صورت جداگانه بررسی کنیم :
▪ شمع گرمکن :
برای حصول احتراق یا همان اکسیداسیون سریع به سه عامل نیاز داریم : هوا ( اکسیژن )، گرما و ماده سوختنی. گفتیم که عمل احتراق در موتورهای دیزل به واسطه پاشش گازوئیل بر روی توده هوای گرم و فشرده شده صورت می گیرد. امروزه برای تصریع و بهبود عمل احتراق در موتورهای دیزل از شمع گرمکن استفاده می شود. شمع گرمکن عبارت است از یک المنت برقی کوچک که همانند شمع های معمولی موتورهای بنزینی به سر سیلندر پیچ می شود. سر این شمع دارای یک المنت الکتریکی است و در محفظه احتراق جای میگیرد با روشن کردن سوئیچ، المنت مذکور سریعاً گرم می شود. حال اگر موتور را روشن کنید، گازوئیل به درون محفظه احتراق پاشیده می شود ولی قبل از برخورد با توده هوا جبراً با المنت داغ برخورد کرده و دمای آن بالا می رود. حال به جای هوای گرم و گازوئیل سرد، هوای گرم و گازوئیل داغ داریم! به عبارتی شمع گرمکن باعث افزایش دمای گازوئیل ( در هنگام پاشیده شدن به درون محفظه احتراق )، تسریع عمل احتراق و کاهش هیدرو کربن های نسوخته می شود.
▪ توربو چارجرها :
گازوئیل به مراتب سنگین تر از بنزین است ( در حدود ۵/۱ برابر ) بنابراین برای محترق شدن به مقداربیشتری هوا نیاز دارد. ار طرفی این تراکم هوا در درون سیلندر است که باعث افزایش فشار و دمای آن می شود. در موتورهایی که فاقد توربو چارجر هستند ( چه بنزینی چه دیزل )، هوای وارد شده به درون سیلندر در زمان مکش فشاری معادل ۹/۰ تا ۱ اتمسفر دارد که این فشار در سیکل تراکم تا ۱۶ اتمسفر ( بسته به ضرایب تراکم و نوع موتور ) بالا می رود. این میزان تراکم فشار و دمای مورد نیاز موتورهای دیزل را نامین نمی کند پس باید با کمک یک پمپ هوا جرم هوای ورودی را افزایش داد. در موتورهای دیزل این کار معمولاً با کمک دستگاهی به نام توربوچارجر صورت می گیرد.
تور چارجر عبارت است از یک توربین که از فشار گاز اگزوز نیرو می گیرد. تورجو چارجر دارای ۲ پره اصلی است. یکی از این پره ها بر اثر برخورد با گازهای خروجی اگزوز دوران کرده و محور اصلی توربو چارجر را می چرخاند. سر دیگر این محور به پره کمپرسور متصل است. با چرخیدن پره کمپرسور هوای ورودی فشرده شده و جرم آن افزایش می یابد. تور چارجرها قادرند تا ۱۰ اتمسفر فشار ایجاد کنند ولی فشاری که معمولاً توسط توربو چارجرهای اتومبیلهای سواری دیزل ایجاد می شود بیشتر از ۵/۱ یا ۲ اتمسفر نیست. حال ببینیم با به کار گیری توربوچارجر چه اتفاقی می افتد؟
گفتیم که فشار هوای ورودی توسط توربوچارجر از ۵/۱ تا ۲ اتمسفر افزایش می یابد. حال اگر هوای وارد شده به درون سیلندر به جای ۱ اتمسفر ۵/۱ اتمسفر فشار داشته باشد، پس از متراکم شدن( در نسبت ۱۶ به ۱ ) به جای ۱۶ اتمسفر، ۲۴ اتمسفر فشار خواهد داشت و این یعنی جرم و حرارت بیشتر و در نتیجه احتراق بهتر و آلودگی کمتر.
توربوچارجرها نیز از جمله مواردی هستند که مورد بهینه سازی های بسیاری قرار گرفته اند. بعضی از توربوچاجرها تا ۱۲۰ هزار دور در دقیقه دوران می کنند و دارای پره هایی با قابلیت تنظیم شوندگی هستند.
▪ انژکتور :
قبل از همه چیز باید به این نکته اشاره کنیم که ما موتور دیزلی کاربراتوری نداریم چرا که گازوئیل حتماً باید به درون محفظه احتراق ( و نه حتی منیفولد ) پاشیده شود. عمل تزریق سوخت چه در موتورهای بنزینی و چه در موتورهای گازوئیلی باعث پخش شدن و ترکیب بهتر ذرات سوخت و هوای درون سیلندر می شود. برای درک بهتر این مطلب آزمایش زیر را انجام دهید :
کمی الکل را در÷ یک لیوان کوچک ریخته و آتش بزنید. در این وضعیت الکل به آرامی خواهد سوخت ولی اگر همان مقدار الکل را درون یک افشانه ریخته و به سمت یک شعله شمع بیافشانید، شاهد احتراقی بهتر، کامل تر و سریع تر خواهید بود. موتورهای دیزل اولیه دارای انژکتورهای مکانیکی بودند ولی امروز از انژکتورهای برقی یا سلنوئیدی استفاده می شود. سوزن انژکتورهای جدید دارای چندین سوزاخ بسیار ریز هستند تا عمل پاشش گازوئیل و یونیزه شدن ( بصورت ذره درآمدن سوخت ) در آنها بهتر صورت گیرد.
▪ اینتر کولر :
همان طور که ذکر شد تراکم بیشتر باعث بهبود عملکرد موتورهای دیزل می شود ولی از طرفی تراکم هوا باعث گرم شدن آن می شود . گرما هم به نوبه خود باعث انبساط و کاهش جرم هوا می شود. حال چاره کار چیست؟ استفاده از اینترکولر !
اینتر کولر عبارت است از یک خنک کننده که از دمای هوای فشرده شده ورودی می کاهد. کاهش دمای هوا باعث متراکم شدن بیشتر و افزایش جرم آن می شود ولی صبر کنید، گفتیم که در موتورهای دیزل بخشی از دمای مورد نیاز برای احتراق از گرمای حاصله از تراکم هوا بدست می آید، حال اگر هوای فشرده شده خنک و فاقد گرمای کافی باشد چه ؟ نگران نباشید، بکار گیری شمع گرمکن قوی تر باعث افزایش دمای گازوئیل تا ۳۰۰ یا حتی ۵۰۰ درجه سانتیگراد می شود. اگر گازوئیل را با این دما به روی یک توده هوای خنک و فشرده بپاشیم، صد در صد محترق خواهد شد. اینترکولرها دارای یک پمپ گرداننده مایع خنک کننده، لوله های انتقال مایع خنک کننده ( که معمولاً به دور کانال ورودی هوا پیچیده شده اند ) و رادیاتور هستند. با گردش مایه خنک کننده به دور کانال هوا، گرمای هوای فشرده شده ورودی گرفته شده و پس از انتقال به رادیاتور دفع می شود. مایع دورن اینترکولر تقریباً شبیه به ضد جوش های معمولی است ولی توان تبادل گرمای آن بیشتر است. برای افزایش راندمان موتورهای دیزل ده ها راهکار دیگر پیشنهاد شده و می شود مثلاً طراحی محفظه احتراق به شکلی که باعث چرخش بهتر هوا ذر سیکل تراکم می شود و یا استفاده از اطاق احتراق اولیه که در نمای برش خورده موتور دیزل نشان داده شده است.●مزایای موتورهای دیزل
□عدم نیاز به سیستم جرقه زنی :
عمل احتراق در موتورهای دیزل به واسطه پاشش گازوئیل داغ بر روی توده هوای فشرده شده صورت می گیرد بنابراین نیاز به دینام، کوئل، دلکو، وایر و شمع منتنفی است .
□فقیر سوز بودن :
از آنجایی که سوخت مصرفی موتورهای دیزل از نوع سنگین با عدد ستان ( تعداد اتم های کربن در مولکول سوخت ) بالاست، تزریق مقدار کمی سوخت برای محترق شدن کافی است از این رو موتورهای دیزل را فقیر سوز می نامند. مصرف سوخت موتورهای دیزل تا ۳۰ درصد کمتر از موتورهای بنزینی با حجم و تعداد سیلندر مشابه است .
□نیروی تورک بالا :
در موتورهای بنزینی مخلوط فشرده شده هوا و بنزین توسط جرقه شمع محترق می شود. این احتراق بسیار سریع الوقوع است ولی در موتورهای دیزلی احتراق کندتر صورت می گیرد بنابراین نیروی حاصل از احتراق مدت زمان بیشتری ( اگر چه این اختلاف زمانی در حد هزارم ثانیه است ) بر روی پیستون نیرو وارد می کند. نتیجه این امر کاهش چشمگیر سرعت دوران موتور دیزلی و افزایش فوق العاده نیروی کشش آن نسبت به موتورهای بنزینی است. به همین علت است که موتورهای دیزل شالو ده صنایع حمل و نقل زمینی را تشکیل داده اند. ۹۹ درصد تانک ها، نفربرها و سایر وسائط نقلیه سنگین نیز به موتور دیزل مجهز شده اند.
□قابلیت استفاده از سایر انواع سوخت :
زمانی که آقای دیزل موتور خود را اختراع کرد هنوز گازوئیل وجود نداشت. وی اولین موتور ساخت خود را با گرد ذغال سنگ به کار انداخت بکار انداخت ولی بعداً به فکر استفاده از روغن های گیاهی به عنوان سوخت افتاد. وی موتوری ساخت که با روغن بادام کار می کرد. این امر امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته چرا که استفاده از روغن گیاهی و بیودیزل ( سوختی که از طبیعت بدست می آید و به جای گازوئیل مورد استفاده قرار می گیرد. ) باعث میشود تا هیچ مقدار دی اکسید کربن اضافی وارد هوا نشود. به عبارتی دی اکسید کربن حاصل از احتراق روغن و یا سوخت گیاهی همان دی اکسید کربنی است که قبلاً توسط گیاه از هوا جذب شده و این یعنی یک چرخه قابل بازیافت و یک منبع طبیعی برای تامین سوخت .
●نقش دیزل در آینده :
شنیدن کلمه دیزل بسیاری از ما را به یاد ماشین دودی های فرسوده و غراضه ای می اندازد که به تنهایی قادرند صد برابر یک اتومبیل معمولی دود کنند ولی کمی صبر کنید، چرا که امروزه این کلمه با معنایی صد در صد مثبت و خوش آیند همراه است. اتومبیل های دیزل امروزی بسیار کم مصرف، پر کشش و با صرفه هستند و حتی دیگر از آن دود سیاه و اگزوز دوده گرفته در آنها خبری نیست. در حدود بیست سالی می شود که اتومبیل های سواری دیزل جای پای خود را خصوصاً در اروپا محکم کرده اند چنانچه کمتر خودروسازی را می توان یافت که حداقل یک مدل اتومبیل سواری دیزل تولید نکند. الفارومئو، ب.ام.و، بنز، آئودی، فولکس واگن، تویوتا و ده ها خودروساز کوچک و بزرگ دیگر سرمایه گذاری عظیمی بر روی این رده از موتورها انجام داده اند. امروزه پیشرفته ترین انژکتورها و توربوچارجرها در موتورهای دیزل یافت می شوند و این خود بیانگر چشم اندازی روشن برای آینده این موتورهاست .
سری می زنیم به مهد موتورهای دیزل یعنی کشور آلمان. جایی که نابغه علم مکانیک و ترمودینامیک، آقای رودلف کریستین کارل دیزل به دنیا آمد . طبق آخرین آمار، خودروهای دیزل با رشد خزه گونه خود در حال کنار زدن اتومبیل های بنزینی هستند. میل نردم به خرید اتومبیل های دیزل روز به روز افزایش می یابد و البته روز به روز به کیفیت اتومبیل های دیزل افزوده می شود. آینده دیزل چگونه خواهد بود؟ آیا روزی شاهد یک پورشه یا فراری دیزل خواهیم بود؟ آیا ویروس دیزل به اتومبیل های فرمولاوان سرایت خواهد کرد؟ آیا شاهد عرض اندام یک اتومبیل دیزل قل چماغ در مسابقات لمان خواهیم بود؟ حداقل پاسخ مورد آخر یک « بله » شیرین و کمی غیره منتظره است. آلمان ها دو گام موثر در جهت اثبات توانایی ها و ظرفیت های فوق العاده موتورهای دیزل برداشته اند. یکی از این گام ها توسط مرسدس بنز برداشته شده و کمی محتاطانه است ولی گام دوم که متعلق به آئودی است، تا دلتان بخواهد جسورانه است. چند سال پیش مرسدس بنز از پیشرفته ترین مورد هشت سیلندر دنیا پرده برداری کرد. یک موتور هشت سیلندر به حجم چهار لیتر با ۳۲ سوپاپ و دو توربو چارجر که سیستم تزریق سوخت آن از نوع CDI ( ریل مشترک ) بود. با نصب این موتور بر روی شاسی مرسدس S کلاس یکی از بهترین، چابک ترین و البته کم مصرف ترین سدان های مدرن پا به عرصه وجود گذاشت s۴۰۰CDI با گشتاور فوق العاده خود از شتاب گیری باور نکردنی برخوردار است در حالی که مصرف سوخت آن از ۹ لیتر درصد کیلومتر فراتر نمی رود. اگر همین اتومبیل را به جادوگران برابوس بسپارید، شاهد عملکرد بهتری هم خواهید بود. نصب رینگ های ۲۰ انچی آلومینیومی، دستکاری موتور و اعمال اندکی کاهش وزن باعث خواهد شد تا این سدان شاخ برادر ۱۲ سیلندر خود یعنی ۶۰۰ S بنزینی را به راحتی خرد کند. گشتاور این مدل به بیش از ۷۰۰ نیوتن متر می رسد که این امر شتاب ثانویه ای بهتر از یک پورشه را به دنبال دارد. به دنبال کسب این موفقیت مرسدس بنز بر آن شده تا همین موتور را بر روی مرسدس بنز SL نصب کند.
●گامی محتاطانه !
به عقیده مرسدس بنز موتورهای دیزل برای کلاس SL گزینه مناسبی نیستند ولی همان طور که گفته شد مصرف کم، تورک فوق العاده و هزینه نگهداری مقرون به صرفه مرسدس بنز را وادار به معرفی یک مدل مطالعاتی SL با موتور دیزل کرده است. اگر با این SL به پشت یک چراغ قرمز رسیدید، گیربکس را در دنده یک قرار داده و دور موتور را به هزار دور در دقیقه برسانید. به محض این که چراغ سبز شد پدال گاز را تا انتها فشار دهید. خواهید دید که شتاب گیری SL۴۰۰CDI حتی از SL۵۵AMG هم سریع تر صورت می گیرد. به لطف نیروی ۳۱۱ اسبی و گشتاور ۵۳۹ پوند فوتی این موتور، شتاب ۰ تا ۱۰۰ کیلومتر SL۴۰۰CDI در ۸/۵ ثانیه بدست می آید که تقریباً یک ثانیه سریع تر از S۶۰۰ دوازده سیلندر و SL۵۵AMG پر مدعاست.
داستان ما زمانی عجیب تر می شود که در مورد SLK۳۲۰CDI بشنوید. این رودستر کوچولو به تنها موتور دیزلی مجهز شده که رسماً از سه دستگاه توروبوچارجر کمک می گیرد! موتور شش سیلندر خورجینی این رودستر ۲/۳ لیتر حجم دارد و دارای سه توربوچارجر است که دو عدد آن در سمت چپ و راست و یکی در فضای میان بلوک های سیلندر جا خوش کرده است. توان این موتور ۲۸۲ اسب بخار خواهد بود ولی از گشتاور آن اطلاعی در دست نیست. با توجه به این امر که این موتور با اتکا به تنها یک دستگاه توربوچارجر ۳۷۶ پوند فوت گشتاور تولید می کند، با بکار گیری سه دستگاه توربوچارجر حتماً بیش از ۴۴۰ پوند فوت گشتاور خواهد داشت. شتاب ۰ تا ۱۰۰ کیلومتر این مدل ۵/۰ ثانیه بهتر از SL۴۰۰CDI است. همین نکته مهندسین صنعت دیزل را نسبت به آینده اتومبیل های اسپرت دیزل خوش بین تر کرده چرا که با کاستن از وزن اتومبیل های دیزل می توان به بهترین رکوردها دست یافت. تولید انبوه این رودستر هنوز قطعی نشده ولی می توان از تولید انبوه مرسدس بنز ML دیزل با یک موتور شش سیلندر دیزل اطمینان کامل داشت.

نویسنده : آرتور مكردومیان