موتور دو زمانه ماشین و نحوه عملکرد آن

در سالهای اخیر دنیای خودرو شاهد تحولات زیادی در سیستم تولید و انتقال نیرو بوده است. برخی از تولیدات به این دلیل از رده خارج شده‌اند که طراحشان بودجه لازم برای توسعه بیشتر محصولات را نداشته؛ برخی دیگر نیز ناکارآمد بودند. علاوه بر موتور کلاسیک خطی یا V شکل، سازندگان خودروهایی با طرح‌های دیگر نیز تولید کردند. موتور دو زمانه ماشین یکی از این نمونه‌ها محسوب می‌شود. در این مقاله از مجله آچاره با موتور دو زمانه ماشین و نحوه عملکرد آن آشنا خواهیم شد.

موتور دو زمانه ماشین چیست؟

برای اولین بار، حق ثبت اختراع برای ایجاد یک موتور احتراق داخلی دو زمانه در اوایل دهه 1880 معرفی شد.  مخترع این موتور مهندس داگلاد کلرک است. دستگاه ابداعی او شامل دو سیلندر بود. یکی ایجاد کننده بود و دیگری بخش جدیدی از همکاری فنی-نظامی را فعال می‌کرد. پس از 10 سال، تغییری با پاکسازی محفظه معرفی شد که در آن دیگر پیستون فشار وجود نداشت. این موتور توسط جوزف دی طراحی شده است. به موازات این تحولات، کارل بنز واحد گاز خود را ایجاد کرد که حق اختراعی برای تولید آن در سال 1880 به ثبت رسید. یک موتور دو زمانه، همانطور که از نامش پیداست در یک چرخش میل لنگ تمام مراحل لازم برای تامین و احتراق مخلوط هوا و سوخت و همچنین خارج کردن محصولات احتراق به سیستم اگزوز خودرو را انجام می‌دهد. این توانایی به واسطه طراحی واحد امکان پذیر شده است. برای حرکت پیستون در سیلندر، دو ضربه انجام می‌شود:

1. زمانی که پیستون در پایین‌ترین نقطه خاموش قرار دارد، سیلندر پاک شده و محصولات احتراق حذف خواهند شد. این چرخه با دریافت یک بخش تازه از VTS تضمین می‌شود که اگزوز را به سمت مجرا جابجا می‌کند. چرخه پر کردن محفظه با یک بخش تازه از VTS انجام می‌شود.
2. با بالا آمدن به نقطه خاموش بالایی، پیستون، ورودی و خروجی را می‌بندد که فشرده سازی VTS را در فضای بیش از پیستون تضمین می‌کند. بدون این فرآیند، مخلوط و خروجی مورد نظر واحد قدرت نمی‌تواند به طور موثر سوزانده شود.
3. در همان زمان، بخش اضافی از مخلوط هوا و سوخت به داخل حفره زیر پیستون مکیده می‌شود. جرقه‌ای در TDC پیستون ایجاد شده و مخلوط هوا و سوخت را مشتعل می‌کند. گردش کار شروع می‌شود.
4. چرخه موتور تکرار می‌شود. معلوم می‌شود که در یک چرخه دو زمانه، تمام ضربات در حالی که به سمت بالا و پایین حرکت می‌کند در دو حرکت پیستون انجام می‌شود.

نکاتی درباره موتور دو زمانه

موتور احتراق داخلی کلاسیک دو زمانه شامل موارد زیر است:

• کارتر این قسمت اصلی سازه است که در آن میل لنگ با کمک بلبرینگ ثابت می‌شود. بسته به اندازه گروه سیلندر-پیستون، تعداد مناسبی بازو روی پیستون میل لنگ وجود خواهد داشت.
• این قسمت به شکل شیشه است که مشابه با آنالوگ مورد استفاده در موتورهای چهار زمانه روی شاتون ثابت می‌شود. همچنین دارای شیارهایی برای حلقه‌های فشرده سازی است. راندمان واحد در حین احتراق VTS، مانند سایر انواع موتورها، بستگی به چگالی فیت پیستون دارد.
• دهانه‌های ورودی و خروجی آنها در خود کیس ICE ساخته می‌شوند جایی که منیفولدهای ورودی و اگزوز متصل هستند. در چنین موتوری مکانیزم توزیع گاز وجود ندارد و به همین دلیل موتورهای دو زمانه دارای دریچه‌ای با وزن کم هستند.
• این قسمت از برگشت مخلوط هوا و سوخت به داخل مجرای ورودی دستگاه جلوگیری می‌کند. زمانی که پیستون بالا می‌رود، یک خلاء در زیر آن ایجاد می‌شود که دمپر را حرکت می‌دهد و از طریق آن قسمت تازه‌ای از VTS وارد حفره می‌شود.
• به محض اینکه اتصال برق اتفاق می‌افتد یعنی جرقه‌ای زده می‌شود و مخلوط مشتعل شده و پیستون را به نقطه خاموش پایینی می‌برد این دریچه حلقه‌های فشرده سازی را می‌بندد.
• این جزئیات مشابه هر موتور احتراق داخلی دیگری است. ابعاد آنها دقیقاً برای ابعاد یک پیستون خاص انتخاب می‌شود.

طراحی دو زمانه HOFBAUER

به دلایل مهندسی، ایده استفاده از تغییرات دو زمانه در خودروهای سواری تا همین اواخر محقق نشده بود. در سال 2010 پیشرفتی در این زمینه ایجاد شد. EcoMotors سرمایه گذاری هنگفتی را از بیل گیتس و Khosla Ventures دریافت کرد. پیتر هاف باوئر مفهوم دو زمانه را ایجاد کرد که بر اساس اصل بوکسور کلاسیک کار می‌کرد. این شرکت محصول خود را OROS که به سیلندرها و پیستون‌های مخالف ترجمه شده است نامید.

چنین واحدی می‌تواند نه تنها با بنزین، بلکه با گازوئیل نیز کار کند. اگر طرح کلاسیک موتور دو زمانه ماشین را در این ظرفیت در نظر بگیریم، در تئوری می‌توان از آن در اصلاح مشابهی استفاده کرد و روی خودروی سواری 4 چرخ نصب نمود. اگر استانداردهای زیست محیطی و هزینه بالای سوخت نبود، این کار امکان پذیر می‌شد.

در حین کار یک موتور احتراق داخلی دو زمانه معمولی، بخشی از مخلوط هوا-سوخت از طریق درگاه اگزوز در طول فرآیند اسکرو حذف می‌شود. همچنین در فرآیند احتراق VTS روغن نیز می‌سوزد. با وجود شک و تردید زیاد مهندسان خودروسازان پیشرو، موتور هاف بائر راه را برای دو زمانه شدن خودروهای لوکس باز کرد. اگر توسعه آن را با بوکسور کلاسیک مقایسه کنیم تا 30 درصد سبک‌تر است زیرا در طراحی آن از قطعات یدکی کمتری استفاده شده است. این واحد همچنین تولید انرژی کارآمدتری را در حین کار در مقایسه با یک باکسر چهار زمانه نشان می‌دهد با افزایش راندمان در محدوده 15-50 درصد.

اولین مدل با برچسب EM100 عرضه شد. به گفته سازنده، وزن موتور 134 کیلوگرم است. قدرت آن 325 اسب بخار و گشتاور آن 900 نیوتن متر می‌باشد. ویژگی اصلی طرح باکسر جدید این است که دارای دو پیستون در یک سیلندر است. آنها روی یک میل لنگ نصب می‌شوند. احتراق VTS بین آنها اتفاق می‌افتد به همین دلیل انرژی آزاد شده به طور همزمان بر هر دو پیستون تأثیر می‌گذارد. به این ترتیب گشتاور عظیمی اتفاق می‌افتد.

سیلندر مقابل طوری پیکربندی شده است که به صورت ناهمزمان با سیلندر مجاور فعال شود. این چرخش صاف میل لنگ را بدون تکان با گشتاور پایدار تضمین می‌کند.

توربوشارژ

توربوشارژ به واسطه یک محرک انجام می‌شود که روی شفت آن یک موتور الکتریکی نصب شده است. اگرچه تا حدی از جریان گازهای خروجی تغذیه می‌شود اما تقویت الکتریکی به محرک اجازه می‌دهد تا حرکت سریع‌تری پیدا کند و فشار هوا ایجاد نماید. برای جبران هزینه‌های انرژی ناشی از چرخش پروانه، دستگاه هنگام اعمال فشار اگزوز به تیغه‌ها، برق تولید می‌کند. همچنین جریان اگزوز را برای کاهش آلودگی کنترل می‌کند. این عنصر در مقوله دو زمانه نسبتاً بحث برانگیز است. برای ایجاد سریع فشار هوای لازم، موتور الکتریکی انرژی مصرف می‌کند و خودرویی که در آینده از این فناوری استفاده خواهد کرد باید به ژنراتور کارآمدتر و باتری‌هایی با ظرفیت بالا مجهز شود.

تا به امروز، کارایی تقویت الکتریکی هنوز در حد تئوری است. سازنده ادعا می‌کند که چنین سیستمی باعث بهبود سیلندر می‌شود و در عین حال به شما امکان می‌دهد حداکثر بهره را از چرخه دو زمانه ببرید. در تئوری، این پروسه به شما امکان می‌دهد ظرفیت لیتری دستگاه را در مقایسه با نمونه‌های چهار زمانه آن دو برابر کنید.

میله‌های اتصال فولادی

از نظر طراحی این میله‌ها شبیه موتورهای TDF هستند. فقط در این تغییرات، پیستون‌های روبرو یکی از میل لنگ‌ها را به دلیل میله‌های اتصال طولانی پیستون‌های بیرونی حرکت می‌دهند. پیستون‌های بیرونی موتور بر روی میله‌های اتصال فولادی بلندی که به میل لنگ متصل هستند نصب می‌شوند. مانند تغییرات کلاسیک باکسر که در تجهیزات نظامی استفاده می‌شود نه در امتداد لبه‌ها،  بلکه بین سیلندرها قرار می‌گیرد. قطعات داخلی نیز به مکانیسم میل لنگ متصل می‌شوند. چنین وسیله‌ای به شما امکان می‌دهد انرژی بیشتری از فرآیند احتراق مخلوط هوا و سوخت استخراج کنید. موتور طوری عمل می‌کند که میل لنگ‌ها باعث افزایش ضربان پیستون شوند. ولی شفت فشرده و سبک باقی می‌ماند.

میل لنگ

موتور Hofbauer دارای طراحی مدولار است. این تکنولوژی قادر است بخشی از سیلندرها را خاموش کند به طوری که وقتی موتور احتراق داخلی تحت حداقل بار قرار دارد مثلاً با سرعت کروز در یک مسیر صاف، اقتصادی‌‌تر عمل کند. در موتورهای 4 زمانه با تزریق مستقیم سیلندرها با قطع منبع سوخت خاموش می‌شوند.

در این حالت، پیستون‌ها همچنان در سیلندرها به دلیل چرخش میل لنگ حرکت می‌کنند. آنها فقط سوخت نمی‌سوزانند. در مورد توسعه نوآورانه هافبوئر، غیرفعال کردن یک جفت سیلندر از طریق یک کلاچ مخصوص نصب شده روی میل لنگ بین جفت سیلندر-پیستون مربوطه انجام می‌شود. زمانی که ماژول قطع می‌شود کلاچ به سادگی بخشی از میل لنگ را که مسئول این بخش است جدا می‌کند.

از آنجایی که پیستون‌های متحرک در یک موتور احتراق داخلی 2 زمانه کلاسیک در حالت آماده به کار همچنان قسمت جدیدی از VTS را می‌مکند، در این تغییرات این ماژول به طور کلی کار نمی‌کند یعنی پیستون‌ها بی‌حرکت می‌مانند. به محض افزایش بار روی واحد قدرت، در یک لحظه خاص کلاچ، بخش بیکار میل لنگ را به هم متصل می‌کند و موتور قدرت را افزایش می‌دهد.

سیلندر

موتورهای کلاسیک 2 زمانه در فرآیند تهویه سیلندر، بخشی از مخلوط نسوخته را به اتمسفر ساطع می‌کنند. به همین دلیل وسایل نقلیۀ مجهز به چنین واحد قدرتی قادر به رعایت استانداردهای زیست محیطی نیستند. برای رفع این نقیصه، توسعه دهنده باکسر دو زمانه طراحی خاصی از سیلندرها را معرفی کرد. آنها همچنین دارای درگاه‌های ورودی و اگزوز هستند اما محل قرارگیری آنها انتشارات مضر را کاهش می‌دهد.

موتور دو زمانه ماشین چگونه کار می‌کند؟

یکی از ویژگی‌های تغییرات کلاسیک دو زمانه این است که میل لنگ و پیستون در یک حفره پر از مخلوط هوا و سوخت قرار دارند. شیر نصب شده روی ورودی به شما این امکان را می‌دهد تا در حفره زیر پیستون هنگامی که شروع به حرکت به سمت پایین می‌کند فشار ایجاد کنید.  این فشار باعث تسریع پاکسازی سیلندر و خروج گازهای خروجی از اگزوز می‌شود.

همانطور که پیستون در داخل سیلندر حرکت می‌کند به طور متناوب درگاه‌های ورودی و خروجی را باز و بسته می‌کند. به همین دلیل ویژگی‌های این طراحی امکان عدم استفاده از مکانیزم توزیع گاز را فراهم می‌آورد. برای اینکه قطعات مالشی بیش از حد فرسوده نشوند نیاز به ماده روانکاری با کیفیت دارند. از آنجایی که این موتورها ساختار ساده‌ای دارند از سیستم روانکاری پیچیده‌ای که روغن را به هر قسمت از موتور احتراق داخلی می‌رساند محروم هستند. به همین دلیل مقداری روغن موتور به سوخت اضافه می‌شود. برای این کار از برند مخصوص واحدهای دو زمانه استفاده می‌شود. این ماده باید در دماهای بالا خاصیت روان کنندگی خود را حفظ کند و در هنگام سوختن با سوخت نباید رسوبات کربنی به جا بگذارد.

کاربرد موتور دو زمانه

سیستم موتورهای 2 زمانه ساده‌تر از نمونه‌های 4 زمانه است و به همین دلیل در صنایعی که وزن و حجم آن مهمتر از مصرف سوخت و سایر پارامترها می‌باشد از آنها استفاده می‌شود. بنابراین چنین موتورهایی بر روی ماشین‌های چمن زنی چرخ دار سبک و ماشین‌های باغبانی نصب می‌شوند. نگه داشتن یک موتور سنگین، پروسه باغبانی را بسیار دشوار می‌کند. همین مفهوم را می‌توان در ساخت اره‌های برقی نیز در نظر گرفت. این در حالی است که از 2 چرخ‌ها نه تنها در کشاورزی و ساخت برخی از انواع هواپیما نیز استفاده می‌شود. برای اینکه یک ماشین یا موتور سیکلت سرعت بیشتری داشته باشد طراحان هنگام ایجاد چنین وسایل نقلیه‌ای از مواد سبک وزن استفاده می‌کنند.

جمع بندی

موتور دو زمانه ماشین به نوعی شبیه به یک موتور 4 زمانه ساده است. موتور 4 زمانه موتوری است که در 99٪ از تمام اتومبیل‌های بنزینی وجود دارد. در عین حال مزیت موتور 2 زمانه این است که برای هر حرکت پیستون نیرو ایجاد می‌کند. هر بار که روشن می‌شود و به سمت بالا و پایین حرکت می‌کند همزمان هوا را وارد و خارج می‌کند و سوخت وارد می‌شود بدون اینکه مجبور باشد برای تکمیل فرآیند پروسه دیگری انجام دهد. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که موتور دو زمانه ماشین در تئوری و عمل می‌تواند قدرت را آسانتر از یک موتور معمولی تولید کند.