نگاهی به زمان‌بندی انفجار در پیشرانه‌ها (بخش اول‌)

زمان‌بندی انفجار در پیشرانه‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. در این مطلب به بررسی این موضوع و نحوه تاثیر آن روی عملکرد موتور می‌پردازیم. در ادامه با ما همراه باشید.

انواع موتورهای درون سوز

حتی پیشرانه‌های برون سوز و بخار نیز از قانون رکاب زدن دوچرخه تبعیت می‌کردند تا بتوانند نیروی بخار را به حرکت چرخشی تبدیل کنند. اما با پیدایش موتور‌های درون سوز، بحث زمان بندی حرکت پیستون‌ها که در نتیجه انفجار داخل سیلندر‌ها بود، به شکلی جدی مشکل آفرین شد و این مشکل زمانی جدی‌تر شد که پیشرانه‌ها بیش از یک سیلندر پیدا کردند. به طور کلی می‌توان پیشرانه‌های درون سوز را به موتورهای دیزل، موتور‌های دو زمانه بنزینی و چهار زمانه بنزینی، موتور‌های وانکل، ستاره‌ای و پیشرانه‌هایی که زیر مجموعه این موارد کلی به حساب می آیند مثل موتور‌های نیترو و … ، دسته بندی کرد. اما در این جا بحث اصلی ما پیشرانه‌های دیزلی و بنزینی هستند و اینکه معمولا چه ترتیبی اتخاذ می‌شود تا این پیشرانه‌ها بدون افت شتاب و لرزش خاصی، به شکل نرم و یکنواخت به کار خود ادامه دهند. در همین راستا باید به بررسی اهمیت زمان‌بندی انفجار در پیشرانه‌ها بپردازیم.

اهمیت زمان جرقه زمانی مناسب

جرقه زنی شمع‌ها در زمان مناسب یک اصل بسیار مهم برای کار‌کرد نرم و مناسب و استفاده بهینه‌تر از نیروی ایجاد شده در نتیجه تراکم سوخت در سیلندر است. اما در این جا ما به این جرقه و کار‌کرد شمع‌ها از نظر الکتریکی نگاه نمی‌کنیم و بیشتر قصد داریم به یک زبان ساده به وضعیت پیستون‌ها و ارتباط آن با زمان جرقه نگاه کنیم. حتی در پیشرانه‌های دیزل نیز که شمع وجود ندارد، به خاطر انفجار در بالاترین حالت پیستون‌ها، می‌توان وجود یک شمع در آن جا را به صورت خیالی متصور شد.

در موتور‌های تک سیلندر، به خاطر وجود یک سیلندر، زمان‌بندی خاصی لازم نیست تا جرقه و پیستون باهم در تعامل کامل باشند. به این معنی که با بالا آمدن پیستون و رسیدن به نقطه مرگ بالا، جرقه زنی انجام شده و بقیه سیکل کاری یک موتور انجام می‌شود ( نقطه مرگ به بالا‌ترین و پایین‌ترین نقطه‌ای در سیلندر می‌گویند که پیستون می‌تواند به آن برسد. به همین شکل به بالا‌ترین نقطه‌ای که پیستون در سیلندر تا آن جا بالا می‌آید، نقطه مرگ بالا و به پایین‌ترین مکانی که پیستون در سیلندر به آن می‌رسد، نقطه مرگ پایین می‌گویند ).

حتی این رویه در نوع خاصی از پیشرانه‌ها که پیستون‌ها با هم و کاملا برابر و در کنار هم بالا و پایین می‌شوند نیز به همین شکل است (معمولا این نوع پیشرانه‌ها در موتورهای پمپ هوا و پیشرانه‌های دو زمانه قدیمی موتور سیکلت‌ها دیده می شود). اما وقتی قرار است تا تعداد سیلندر‌ها از دو عدد تجاوز کند، باید زمان بندی بالا و پایین رفتن و انفجار در سیلندر به شکلی بسیار دقیق محاسبه شود. در انتهای میل لنگ، چرخ طیار و یا همان فلایویل قرار دارد. این چرخ که سنگینی خاصی نسبت به میل لنگ و دیگر اجزای موتور دارد، با چرخش میل لنگ به چرخش در می‌آید و وظیفه دارد تا با شتاب و سرعت دورانی خود، زمانی که نیرویی در سیلندر‌ها به واسطه انفجار وجود ندارد، پیستون‌ها را به بالا ببرد تا کارکرد موتور نرم و یکنواخت باشد.

حال فرض کنید در یک پیشرانه 3 سیلندر و یا بالاتر، همه پیستون‌ها در یک زمان به نقطه مرگ بالا برسند، جرقه‌زنی انجام شود و همه باهم در یک زمان به پایین پرتاب شوند و به نقطه مرگ پایین خود برسند. چه اتفاقی را می‌توان تصور کرد؟

در این حالت به یک باره نیرویی شدید به میل لنگ وارد می‌شود، خودرو به جلو پرتاب می‌شود حتی اگر در حال حرکت باشد. بعد پیستون‌ها برای بالا آمدن از نیروی دورانی چرخ طیار و میل لنگ باید استفاده کنند که این باعث گرفته شدن سرعت خودرو و افت شتاب می‌شود و این سیکل به همین ترتیب تکرار شود. دیگر سوار چنین خودرویی نمی‌توان شد چرا که مدام در حال سرعت کم کردن و شتاب گرفتن است!

برای رفع این مشکل، پیشرانه‌ها به شکلی طراحی می‌شوند تا زمانی‌که یک پیستون در نقطه مرگ بالا قرار دارد، پیستون دیگری در موضع مخالف آن یعنی در نقطه مرگ پایین باشد. به این شکل زمانی که یک پیستون در پایین است و برای بالا آمدن، احتیاج به یک نیروی دیگر در کنار نیروی حاصل از دوران چرخ طیار دارد، نیرویی پیستونی که در حال پایین آمدن است، به واسطه اتصال پیستون‌ها از طریق شاتون‌ها به میل لنگ، آن را به بالا فشار می‌دهد و این سیکل به همین شکل انجام می‌شود تا موتور همیشه کارکردی نرم و یکنواخت داشته باشد (‌در پیشرانه‌های دورانی و ستاره‌ای نیز همین قانون به شکلی دیگر که متناسب با ساختار این موتور‌ها است، انجام می شود).

در خودرو‌هایی که پیشرانه‌هایی با تعداد سیلندر فرد دارند (مانند دوو ماتیز سه سیلندر و برخی ولوو‌های 5 سیلندر)، پیشرانه طوری طراحی شده که زمانی که  یک سیلندر پایین است، دو سیلندر دیگر در نقطه مرگ بالا هستند و برای نمونه‌های 5 سیلندر نیز به همین روش متناسب با سیلندر‌هایشان است. اما وقتی که تعداد سیلندر‌ها بیشتر می‌شود، این برنامه ریزی باید بسیار دقیق‌تر انجام شود که در بخش دوم به آن می‌پردازیم.