موتور های شبه توربین چگونه کار می کنند؟

طراحی موتور تحت تاثیر سه عامل است:نگرانی درباره ی مسایل زیست محیطی،افزایش قیمت سوخت و لزوم حفظ منابع سوخت های فسیلی . خودرو های هیدروژنی (که با سلول های سوختی و یا با احتراق داخلی هیدروژن کار می کنند) آن طور که پیش بینی می شد در آینده ی نزدیک در دسترس نخواهند بود.در نتیجه مهندسان زیادی علاقه به بهبود موتور های احتراق داخلی فعلی دارند.
● موتور شبه توربین
موتور شبه توربین ( Quasiturbine Engines) که در ۱۹۹۶ به ثبت رسید نتیجه ی چنین بهبودی است.در این مقاله موتور شبه توربین را معرفی می کنیم و به سوالات زیر پاسخ خواهیم داد:
▪ ایده ی این موتور از کجا آمده است؟
▪ اجزای موتور شبه توربین چیست؟
▪ چگونه کار می کند؟
▪ بازدهی آن نسبت به سایر موتور های احتراق داخلی چگونه است؟
مقاله را با یاد آوری اصول کار موتور شروع می کنیم:
● اصول کار موتور:
اساس کار موتور ساده است:اگر مقداری هوا و سوخت پر انرژی (مانند بنزین) را در یک فضای کوچک و بسته قرار دهید و مشتعل کنید،گاز به سرعت منبسط شده و مقدار زیادی انرژی آزاد می کند.
هدف نهایی یک موتور تبدیل انرژی انبساط این گاز به انرژی دورانی است و در مورد موتور خودرو هدف چرخاندن محور چرخ هاست.
برای مهار این انرژی موتور باید چرخه ی احتراقی را طی کند که در آن:
▪ مخلوط سوخت و هوا اجازه ی ورود به محفظه ی احتراق را داشته باشد.
▪ هوا و سوخت فشرده شود.
▪ سوخت مشتعل شود.
▪ دود به عنوان محصول احتراق خارج شود.
موتور چگونه کار می کند با جزییات بیشتر این چرخه را در موتور های پیستونی معمولی توضیح می دهد که در آن چرخه ی احتراق پیستونی را بالا و پایین می برد و این حرکت رفت و برگشتی توسط میل لنگ به حرکت دورانی تبدیل می شود.
اگرچه موتور پیستونی در خودرو ها متداول تر است اما موتور شبه توربین بیشتر مانند موتور دورانی عمل می کند.در موتور دورانی به جای استفاده از پیستون از یک روتور مثلثی استفاده می شود. فشار احتراق در فضای بین یک ضلع روتور مثلثی و استاتور(بدنه ی موتور) ایجاد می شود.
حرکت روتور به نحوی است که هر سه گوش آن با بدنه در تماس باقی می ماند و به این ترتیب سه حجم جدای گاز ایجاد می شود.وقتی روتور حرکت می کند این سه حجم پیوسته منبسط و منقبض می شوند.همین انبساط و انقباض است که هوا و سوخت را به داخل می کشد،آن را فشرده می کند و انرژی مفید آن را می گیرد و دود را به خارج می راند.(برای اطلاعات بیشتر موتورهای دورانی چگونه کار می کند را ببینید.)
● اصول موتور شبه توربین:
Saint-Hilaire موتور شبه توربین را در ۱۹۹۶ به ثبت رساند.ایده ی موتور شبه توربین از تحقیقات گسترده برای ارزیابی تمام موتورها و پیدا کردن نقاط ضعف و قوت آن ها و روش های بهتر کردنشان بدست آمد.در این تحقیقات گروه Saint-Hilaire دریافت که یک موتور بی همتا موتوری است که از بهتر کردن موتور ونکل(دورانی) بدست می آید.
مانند موتورهای دورانی،موتور شبه توربین نیز با یک روتور و استاتور(بدنه) کار می کند.اما روتور آن به جای سه لبه،از چهار جز که مانند زنجیر به هم متصل اند تشکیل شده است.روتور چهار گوش چیزی است که موتور شبه توربین را از موتور دورانی جدا می کند.دو نوع موتور شبه توربین وجود دارد که یکی روتور کالسکه ای دارد و دیگری بدون کالسکه ای است.همان طور که خواهیم دید در اینجا منظور از کالسکه قطعه ی ساده ای از این موتور است.
در ابتدا نگاهی به اجزای موتور شبه توربین ساده تر یعنی نوع بدون کالسکه ای می اندازیم.
● موتور شبه توربین ساده
موتور شبه توربین ساده خیلی شبیه موتور دورانی است:یک روتور درون بدنه ی تقریبا بیضی شکل می چرخد.اما فراموش نکنید که موتور شبه توربین روتور چهار جزیی دارد.گوشه های روتور با بدنه به خوبی آب بندی شده اند و نیز گوشه های روتور نسبت به بخش داخلی آب بندی اند.در نتیجه چهار محفظه ی مجزا تشکیل می شود.
در موتور پیستونی،یک دور تکرار چرخه ی چهار زمانه دو دور میل لنگ را می چرخاند.در نتیجه قدرت خروجی موتور چهارزمانه یک انرژی یک احتراق به ازای دو دور گردش میل لنگ ( ویا نصف انرژی یک احتراق به ازای یک رفت و برگشت پیستون) است.
اما یک موتور شبه توربین پیستون ندارد و چهار زمان یک چرخه پشت سر هم در بدنه ی بیضی شکل ردیف شده اند.همچنین نیازی به میل لنگ برای ایجاد حرکت دورانی نیست.
تصویر متحرک زیر هر زمان یک چرخه ی چهار زمانه را نشان می دهد.توجه کنید که در این مثال،شمع در یکی از مجراهای بدنه قرار گرفته است.
در این مثال ساده به راحتی می توان چهار زمان یک موتور احتراق داخلی را مشاهده کرد:
▪ مکش:سوخت و هوا به داخل کشیده می شود.
▪ تراکم:مخلوط سوخت و هوا فشرده می شود.
▪ احتراق:جرقه ی شمع سوخت را مشتعل می کند.
▪ تخلیه:گاز های مصرف شده از استاتورخارج می شوند.
موتور شبه توربین کالسکه ای نیز با همین ایده کار می کند با این تفاوت که قسمت کالسکه ای شکلی به روتور اضافه شده و اجازه ی رخ دادن انفجار نوری (photo detonation) را می دهد.انفجار نوری حالت احتراق بهتری است که نیاز به فشار زیاد و مقاومت فیزیکی بیشتری دارد که موتورهای پیستونی و دورانی توانایی تولید آن را ندارند.در ادامه درباره ی انفجار نوری می آموزیم.
● انفجار نوری (photo-detonation):
موتور های احتراق داخلی بر اساس نحوه ی مخلوط شدن سوخت و هوا و نیز چگونگی مشتعل شدن آن به چهار دسته تقسیم می شوند.در نوع اول سوخت و هوا پیش از ورود به سیلندر به صورت یک مخلوط همگن درمی آید و با جرقه ی شمع مشتعل می شوند که این همان موتور بنزینی معمولی است.
نوع دوم موتور تزریق مستقیم بنزینی است.در این نوع با تزریق مستقیم بنزین به داخل سیلندر،مخلوط نا همگنی خواهیم داشت.(در موتور های بنزینی انژکتوری،انژکتورها سوخت را در منیفولد ورودی می پاشند اما در این نوع بنزین مستقیما به سیلندر تزریق می شود.)وقتی شمع جرقه می زند،بیشتر سوخت می سوزد اما کمی از آن نسوخته باقی می ماند.
در نوع سوم سوخت و هوا در محفظه ی احتراق تا حدودی با هم مخلوط می شوند.سپس این مخلوط ناهمگن فشرده می شود و دمای آن بالا می رود تا اینکه خود به خود مشتعل شود.که موتورهای دیزل این گونه اند.
در نوع چهارم بهترین خصوصیات موتورهای بنزینی و دیزلی ترکیب شده اند.سوخت وهوا پیش از ورود به سیلندر کاملا مخلوط می شوند.سپس این مخلوط همگن به شدت فشرده می شود تا خود به خود بسوزد.این همان چیزی است که به آن انفجار نوری می گوییم.چون در این نوع موتور مخلوط همگن در اثر فشار مشتعل می شود به آن موتور HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition نیز می گویند.
احتراق HCCI هیچ هیدروکربن نسوخته ای باقی نمی گذارد و در نتیجه بهره وری بالایی دارد.(به دلیل فشار و دمای بالا و نیز همگن بودن مخلوط ،تمام آن می سوزد.)
البته برای انفجار نوری فشار بالایی مورد نیاز است که این موضوع تنش قابل توجهی به موتور وارد می کند و موتور پیستونی نمی تواند ضربه ی شدید این نوع احتراق ( که نوعی خود سوزی است) را تحمل کند.همچنین موتورهای دورانی قبلی به دلیل داشتن اتاق احتراق کشیده و بزرگ نمی توانند فشار مورد نیاز برای انفجار نوری را ایجاد کنند.
فقط موتور شبه توربین کالسکه دار می تواند نیروی انفجار را تحمل کند و ضریب تراکم مورد نیاز برای خودسوزی را فراهم کند