انواع محفظه‌احتراق؛ عملکرد، مزایا و معایب آن ها

در این مقاله قصد داریم در مورد محفظه‌احتراق صحبت‌کنیم.

فهرست مطالب

1- محفظه‌احتراق چیست؟

2- انواع محفظه‌احتراق

————————————————–

1- محفظه‌احتراق چیست؟

محفظه‌احتراق فضای محدودی در داخل موتور احتراق داخلی‌است، که در آن احتراق مخلوط هوا و سوخت صورت‌می‌گیرد. هنگامی که احتراق مخلوط هوا و سوخت انجام‌می‌شود، دما و حجم مخلوط افزایش‌می‌یابند و مقدار زیادی انرژی گرمایی آزادمی‌شود. فشار زیادی که در داخل محفظه‌احتراق ایجادمی‌شود، موجب حرکت پیستون به سمت بالا و پایین‌می‌شود. از این رو، محفظه‌احتراق بخش بسیار مهمی از یک موتور احتراق داخلی‌است.بنابراین، طراحی محفظه‌احتراق، کار بسیار مهمی‌است؛چراکه بر عملکرد کلی و سایر پارامترهای موتور احتراق داخلی تأثیرمی‌گذارد.

وظایف محفظه‌احتراق عبارتند از:

1) فضای محدودی را برای احتراق مخلوط هوا و سوخت فراهم‌می‌کند.

2) سوپاپ ورودی و خروجی را برای ورود و خروج مخلوط در خود جای داده‌است.

3) پیستون را در خود، جای داده و هدایت‌می‌کند.

4) با استفاده از علم هندسه، به احتراق مناسب کمک‌می‌کند.

5) در برابر دمای بالای احتراق، مقاومت‌می‌کند.

6) از بیرون ریختن پسماند حاصل از احتراق جلوگیری‌می‌کند.

————————————————–

2- انواع محفظه‌احتراق

محفظه‌های احتراق را می‌توان بر اساس سوخت یا چرخه استفاده شده برای احتراق به صورت زیر طبقه‌بندی‌کرد.

1) محفظه‌های احتراق در موتور S.I (اشتعال جرقه ای).

2) محفظه‌های احتراق در موتور C.I (اشتعال تراکمی).

2-1) محفظه‌احتراق در موتور S.I

الزامات محفظه‌احتراق در موتور S.I عبارتند از:

•  دستیابی به توان خروجی بالا
•  دستیابی به راندمان حرارتی بالا
•  عملکرد خوب و راحت موتور
•  جلوگیری از ضربه یا انفجار
•  افزایش طول عمر موتور
•  حداقل نیاز به تعمیر و نگهداری موتور

فاکتورهایی که برای دستیابی به طراحی یک محفظه‌احتراق خوب در موتور S.I باید در نظر گرفته‌شوند، شامل:

1- راندمان حجمی بالا

راندمان حجمی در طراحی موتور احتراق داخلی به بازدهی اشاره‌دارد که با آن موتور می‌توان د سوخت و هوا را به داخل و خارج سیلندر منتقل‌کند.همچنین نسبت حجم هوای کشیده شده به داخل سیلندر به حجم جاروب شده سیلندر را نشان‌می‌دهد.این پارامتر، اساساً معیار پر بودن سیلندر را نشان‌می‌دهد.برای دستیابی به راندمان حجمی بالا، باید بزرگترین نواحی ممکن برای سوپاپ ورودی، طراحی‌شود.

2- اجتناب از Hot Spot

Hotspot ها نقاط خاصی در داخل محفظه‌احتراق هستند که دمای نسبتاً بالاتری‌دارند.وجود این نقاط موجب احتراق خودکار سوخت‌می‌شوند که برای جلوگیری از ضربه زدن باید از آن ها اجتناب‌کرد.

Hotspot ممکن است توسط هر گونه رسوب کربن، سوپاپ اگزوز، شمع و غیره ایجادشود. از این رو باید، خنک کننده کافی برای جلوگیری از آن فراهم‌شود و دریچه اگزوز به گونه ای قرار گیرد که حداقل گرما دریافت‌شود.

3- محل قرارگیری شمع و اندازه منفذ

با افزایش فاصله شعله، احتمال ضربه افزایش‌می‌یابد.

برای کاهش این فاصله، می بایست شمع در مرکز قرارگیرد.همچنین منافذ سیلندر باید کوچک‌باشند.

4- آشفتگی

آشفتگی، در واقع  جریان غیر آرام سوخت در سرعت بالااست.

این پارامتر عامل بسیار مهمی برای احتراق خوب در موتور SI‌است.آشفتگی مناسب می‌تواند توسط موارد زیر ایجادشود:

– محل قرارگیری مناسب سوپاپ ورودی

– طراحی مناسب گذرگاه ورودی

– طراحی مناسب سر پیستون و سرسیلندر

5- نسبت سطح به حجم

نسبت سطح به حجم همان نسبت سطح داخلی به حجم محفظه‌احتراق‌است.

برای دستیابی به بازدهی حرارتی بهتر و حداقل انتقال حرارت، نسبت سطح به حجم باید حداقل‌باشد؛که برای رسیدن به این هدف، شکل نیمکره ای برای محفظه‌احتراق ترجیح داده‌می‌شود.

6- پاکسازی

پاکسازی، فرآیند حذف گازهای خروجی با استفاده از شارژ تازه‌است.

7- ضخامت دیوار

ضخامت دیوار برای انبساط یکنواخت، باید کاملا یکسان باشد.در واقع به دلیل دمای بالای داخل سیلندر، دیوارهای سیلندر شروع به انبساط‌می‌کنند و اگر ضخامت دیوار ناهموار باشد، انبساط نیز ناهموارمی‌شود و منجر به انسداد پیستون‌می‌شود.

8- نسبت تراکم

نسبت تراکم، از نسبت بین حجم سیلندر و محفظه‌احتراق (هنگامی که پیستون در پایین ترین حالت ممکن است) و حجم محفظه‌احتراق (هنگامی که پیستون در بالاترین حالت ممکن است) بدست می آید.طراحی محفظه‌احتراق باید به گونه ای باشد که موتور با بالاترین نسبت تراکم بدون ضربه، برای دستیابی به  حداکثر بازده حرارتی، کارکند.

2-1-1) انواع محفظه‌احتراق در موتور SI

در طی سال‌ها، محفظه‌های احتراق با تغییراتی مانند تغییر در موقعیت شمع، محل سوپاپ‌های ورودی و خروجی و غیره مواجه شده‌اند.

بر اساس این تغییرات، محفظه‌های احتراق را می‌توان به انواع زیر تقسیم‌کرد:

–  نوع T-head

–  نوع L-head

– نوعI-head

–  نوع F-head

1- نوع T-head:

این نوع ازمحفظه، اولین نوع محفظه‌احتراقی‌است.

محفظه نوع T-head، در سال 1908 توسط فورد معرفی‌شد. در این نوع از محفظه، سوپاپ‌های ورودی و خروجی در دو طرف بلوک سیلندر قرار گرفته‌اند،و به همین دلیل برای کارکردن به میل بادامک جداگانه نیاز دارند. همین مسئله ساخت آن را دشوار و احتمال ضربه را افزایش‌می‌دهد.از این رو، این نوع موتورها پس از جنگ جهانی اول منسوخ‌شدند، اما تا دهه 1950 همچنان در ماشین‌های آتش نشانی استفاده‌می‌شدند.

2- نوع L-head:

این نوع از محفظه‌احتراق برای غلبه بر معایب محفظه‌های احتراق نوع T-head ساخته‌شده‌است. محفظه نوع L-head توسط فورد بین سال‌های 1910 و 1930، مورد استفاده قرارگرفت.در این نوع، سوپاپ‌های ورودی و خروجی روی یک سیلندر قرار می‌گیرند که می‌توان با یک میل بادامک از آن‌ها استفاده‌کرد.مزیت این سیستم این‌است که مکانیزم سوپاپ ساده ای دارد که به راحتی می‌توان آن را روغن کاری‌کرد. همین ویژگی محفظه، منجر به نگهداری آسان از آن‌می‌شود.اما، به دلیل مکان قرار گیری دریچه‌ها، هوا باید مسافت بیشتری را طی کند که خود موجب کاهش سرعت و در نهایت ضربه‌می‌شود.البته برای جلوگیری از این امر، ریکاردو، طراحی اولیه را با قرار دادن شمع بر روی سوپاپ ها اصلاح‌کرد.این کار موجب کاهش مسافت شعله (مسافتی که باید توسط شعله طی شود) و در نتیجه کاهش احتمال ضربه‌گردید.

3- نوع I-Head:

در این نوع محفظه، هر دو سوپاپ بر روی سر سیلندر نصب‌می‌شوند.سوپاپ های بالا، عبور مستقیم سوخت را فراهم می‌کنند، که باعث کارآمدتر شدن سوخت‌می‌شود. ابن نوع محفظه، اولین بار توسط بیوک توسعه داده شد و از دهه 1950 مورد استفاده قرارگرفت.محفظه‌احتراق I-Head را می‌توان به انواع زیر طبقه‌بندی‌کرد:نوع Bath Tub: در نوع Bath Tub، شمع در اطراف، و دریچه‌ها به صورت عمودی در بالا قرارمی‌گیرند.

نوع Wedge: در این نوع، سوپاپ‌ها به صورت شیبدار قرارمی‌گیرند، در حالی که شمع در بالا قراردارد.

از مزایای این نوع محفظه‌احتراق می‌توان به ضربه کمتر و راندمان حجمی بالا اشاره کرد.

4- نوع F-Head:

این نوع از محفظه، حد واسط بین محفظه های احتراق نوع L-head و I -head‌است؛و دارای یک سوپاپ ورودی در سرسیلندر، مشابه نوع I-head و دریچه اگزوز در بلوک سیلندر، مشابه نوع L-head‌است.محفظه F-head با موفقیت توسط شرکت Rover و در جیپ های Willy استفاده‌شد.

از مزایای این نوع محفظه می‌توان به راندمان حجمی و راندمان حرارتی بالا اشاره‌کرد.البته، استفاده از میل بادامک های جداگانه برای عملکرد آن ها، یک نقطه ضعف محسوب‌می‌شود.

2-2) محفظه‌احتراق در موتور C.I

طراحی محفظه‌احتراق در موتور CI از اهمیت و پیچیدگی بیشتری نسبت به موتور SI برخورداراست. زیرا در موتور SI، سوخت و هوا در کاربراتور مخلوط می‌شوند و حتی، زمان بیشتری برای مخلوط شدن بهتر در حین حرکت القایی، مکش و تراکم در دسترس‌است، در حالی که در موتور CI، این فرآیند کاملاً متفاوت‌است. در موتور CI در هنگام القاء، مکش و فشرده سازی فقط هوا وجود دارد و سوخت در پایان تراکم تزریق‌می‌شود.

بنابراین، زمان در دسترس برای تبخیر و مخلوط شدن با هوا بسیار محدوداست.برای مخلوط شدن و احتراق بهتر، حرکت چرخشی هوا در حین احتراق نقش مهمی‌دارد.حرکت چرخشی از روش های مختلف حرکت هوااست که برای مخلوط مناسب سوخت و هوا در محفظه‌احتراق به کارمی‌رود. برای اتمیزه شدن بهتر احتراق، به تبخیر و اختلاط مناسب با هوا در حداقل زمان، نیازاست که در نهایت قدرت بالا، راندمان بهتر، کارکرد بدون صدا موتور و مدت زمان تاخیر کمتر را به همراه‌دارد، البته منجر به احتمال کاهش ضربه نیزمی‌شود.

2-2-1) مفهوم حرکت چرخشی

برای دستیابی به همه شرایط فوق، طراحی محفظه‌احتراق موتور CI، بسیار پیچیده‌ترمی‌شود. همانطور که در بالا توضیح‌داده‌شد، حرکت چرخشی در موتور CI ، که ممکن‌است در طی فرآیند مکش (القاء)، تراکم یا احتراق به دست آید، بسیارمهم‌است.از این رو در ادامه به توضیح انواع حرکات چرخشی پرداخته‌شده‌است.

1- چرخش القایی

در این روش چرخش در ورودی محفظه‌احتراق در حین مکش ایجادمی‌شود، به همین دلیل به چرخش القایی معروف‌است.روش‌های مختلف چرخش هوای ورودی عبارتند از:

– روش پورت مماسی که در آن هوا با زاویه ای واردمی‌شود و چرخش رامی‌گیرد.

– و روش پوشاندن یک طرف سوپاپ ورودی، به طوری که هوا فقط از اطراف سوپاپ واردشده و چرخش هوا تولیدمی‌شود.

زاویه پوشش مورد استفاده معمولا از 90 درجه تا 140 درجه متغیراست.

2- چرخش فشرده سازی

در این روش چرخش هوا، در طول حرکت فشرده سازی، تولید‌می‌شود و سر پیستون با حفره های متفاوتی ارائه‌می‌شود که چرخش را در هنگام فشرده سازی بهبودمی‌بخشد. شکل‌های زیر روش چرخش مذکور را نشان‌می‌دهند.

3- چرخش احتراق

در این روش، چرخش، بر اثر فشار بالا که در مرحله اول احتراق سوخت ایجادشده‌است، حاصل‌می‌شود. سر پیستون انواع مختلفی‌دارد که به ایجاد چرخش در هنگام احتراق کمک‌می‌کند.

2-2-2) انواع محفظه‌احتراق در موتور CI

–  محفظه‌احتراق باز.

–  محفظه پیش احتراق.

– محفظه‌احتراق آشفته یا محفظه‌احتراق تزریق غیر مستقیم.

–  محفظه‌احتراق سلول هوا.

1- محفظه‌احتراق تزریق مستقیم یا باز

در یک محفظه‌احتراق باز، فضای بین پیستون و سرسیلندر باز است که یعنی هیچ محدودیتی در بین آنها وجودندارد. بنابراین، تمام هوا در یک فضای واحد بین پیستون و سرسیلندر قرارمی‌گیرد و سوخت مستقیماً در داخل این فضا تزریق‌می‌شود؛ به همین دلیل به آن موتور تزریق مستقیم یا به اختصار موتور D.I نیز گفته‌می‌شود. برای دستیابی به احتراق و چرخش بهتر، انواع حفره ها در تاج پیستون و سرسیلندر ایجادمی‌شوند. طرح های مختلف محفظه های احتراق باز به شرح زیراست:

–  محفظه‌احتراق با عمق کم.

–  محفظه‌احتراق حفره نیم کره ای.

– ومحفظه‌احتراق از نوع استوانه ای.

–  محفظه‌احتراق مخروطی کوتاه.

–  محفظه‌احتراق مستطیلی.

مطابق شکل، در برخی موارد، شکل سرسیلندر، حفره هایی جهت ایجاد شرایط مطلوب برای اختلاط بهتر و سوختن بهتر، فراهم می‌کند. ویژگی های بارز محفظه‌احتراق باز عبارتنداز:

1- آشفتگی و تلاطم کمتری در این نوع ایجادمی‌شود، از این رو، تلفات حرارتی کمتراست و بنابراین،

2- هوای اضافی مورد نیاز بیشتراست، بنابراین اندازه موتور و راندمان حرارتی نیز افزایش‌می‌یابد و راه اندازی آسان ترمی‌شود.

3- این نوع محفظه‌احتراق، برای موتورهای با ظرفیت بالا و سرعت پایین بسیار مفیداست.

مزایا:

• راندمان حرارتی، به دلیل کاهش تلفات انتقال حرارت در تعادل‌است.
• راه اندازی موتور به دلیل کاهش تلفات انتقال حرارت آسان‌است.
• ساخت آن ساده‌است.
• در موتورهای کم سرعت می‌توان از سوخت های کم هزینه که دوره تاخیر بالاتری دارند،استفاده‌کرد.

معایب:

• اندازه موتور برای تولید همان مقدار نیرو به دلیل هوای اضافی مورد نیاز، حجیم‌می‌شود.
• از آنجایی که آشفتگی کمتراست، به نازل با حفره های متعدد و فشار بالا نیازاست.
• هزینه تعمیر و نگهداری بالایی دارد.

2- محفظه پیش احتراق

یک‌محفظه کوچک اضافی به نام محفظه پیش احتراق، به محفظه‌احتراق اصلی متصل‌می‌شود و سوخت مورد نیاز نیز به این محفظه کوچک تزریق‌می‌شود. هر دو این محفظه ها توسط حفره‌های کوچکی به هم متصل‌می‌شوند. همانطور که سوخت تزریق می‌شود، احتراق از محفظه پیش احتراق شروع‌می‌شود و تولیدات احتراق از طریق حفره‌های کوچک به محفظه‌احتراق اصلی با سرعت بسیار بالا هجوم می‌آورند. این عمل موجب ایجاد آشفتگی و همچنین چرخش و در نهایت احتراق عمده در محفظه‌احتراق اصلی‌می‌شود. حدود 80 درصد انرژی در محفظه‌احتراق اصلی آزادمی‌شود. طرح های‌مختلف محفظه پیش احتراق در شکل زیر نشان‌داده‌شده‌است.

اولین احتراق در محفظه پیش احتراق به دلیل دمای بالای آن شروع‌می‌شود و به محفظه‌احتراق اصلی انتشار می‌یابد، بنابراین مدت زمان تاخیر کاهش می‌یابد و سوخت نامرغوب نیز به راحتی سوزانده‌می‌شود.

مزایا:

• می‌توان از سوخت با طیف وسیعی از عدد ستان استفاده‌کرد.
• به دلیل فشار تزریق کمتر، می‌توان از نازل سوخت با طراحی ساده استفاده‌کرد.
• موتور می‌توان  با سرعت بالا و روان تر کارکند.
• از آنجایی که دوره تاخیر در محفظه‌احتراق اصلی بسیار کم‌است، تمایل به ضربه بسیار کمتراست.
• و بهره برداری نسبت تراکم بالاتر، امکان پذیراست.

معایب:

• طراحی موتور به دلیل محفظه پیش احتراق پیچیده‌می‌شود.
• اتلاف حرارت از محفظه پیش احتراق به طور قابل توجهی افزایش‌می‌یابد.
• به دلیل اتلاف حرارت زیاد، cold starting دشواراست.
• مصرف سوخت، بالا و بازده حرارتی، پایین‌است.

3- محفظه‌احتراق تزریق آشفته یا غیر مستقیم

این محفظه‌های احتراق مشابه محفظه های پیش احتراق‌هستند. با این تفاوت که در محفظه پیش احتراق تنها 20 تا 25 درصد هوای کل واردمی‌شود، در حالی که در این نوع 80 تا 90 درصد هوای کل در پیش محفظه گردش‌می‌کند. از آنجایی که نسبت بالایی از “چرخش” در این نوع تولیدمی‌شود، به عنوان محفظه‌احتراق چرخشی نیز شناخته‌می‌شود. در طول فشرده سازی، بیشتر هوا از محفظه‌احتراق اصلی وارد محفظه پیش احتراق‌می‌شود، جایی که چرخش با سرعت بالایی تولیدمی‌شود. سوخت نیز، به محفظه پیش احتراق تزریق‌می‌شود و بخش عمده احتراق در آن انجام‌می‌شود. چند نمونه پیکربندی، از این نوع محفظه در شکل‌ها نشان داده‌شده‌است.

انواع محفظه‌احتراق

مزایا:

• به دلیل سرعت بالای چرخش، قادر به استفاده از مخلوط نسبتاً غنی است که باعث‌می‌شود موتور برای خروجی داده شده فشرده‌شود.
• می‌توان از طیف وسیعی از سوخت عدد ستان استفاده‌کرد.
• فشار تزریق و الگوی تزریق به دلیل چرخش خیلی مهم نیست، بنابراین می‌توان از نازل ساده‌استفاده‌کرد.
• موتور می‌تواند به صورت روان کارکند.
• به تعمیر و نگهداری کمی نیازدارد.
• موتور می‌تواند با سرعت بالا کار کند زیرا مدت تاخیر بسیار کم است، بنابراین احتمال ضربه کمتراست.

معایب:

• به دلیل اتلاف حرارت زیاد به دیواره سیلندر، مصرف سوخت افزایش‌می‌یابد.
• به دلیل از دست دادن حرارت، راندمان حرارتی کم‌است.
• cold starting موتور دشواراست.

4- محفظه‌احتراق سلول هوا

آرایش محفظه‌احتراق سلول هوا در موتور Lanova در شکل نشان داده‌شده‌است.

این محفظه دارای قسمت اصلی (محفظه پیش احتراق) سلول هوایی و سلول هوایی فرعی‌است. سوخت به گونه ای ساخته‌می‌شود که از طریق محفظه اصلی به سمت گردنه سلول هوا که برای گرم شدن ایجادشده‌است، حرکت‌کند. احتراق در سلول هوا آغازمی‌شود و در اثر افزایش فشار زیاد، دوباره به محفظه اصلی جریان‌می‌یابد. تلاطم زیاد و دمای بالای گازها باعث کاهش دوره تاخیرمی‌شود و سرعت افزایش فشار را کنترل‌می‌کند، بنابراین موتور می‌توان د به صورت روان کارمی‌کند. در این محفظه‌احتراق سوخت در محفظه اصلی و در حالت دیگر به محفظه پیش احتراق تزریق‌می‌شود. این محفظه‌احتراق فقط برای موتورهای با سرعت ثابت مناسب‌است.

مزایا:

• cold starting موتور آسان تراست.
• به دلیل سرعت چرخش زیاد، می‌توان به اختلاط بهتر هوا و سوخت دست یافت که باعث بهبود احتراق‌می‌شود.
• انتشار اگزوز کمتراست.
• از آنجایی که حداکثر افزایش فشار، کم‌است، موتور به آرامی کارمی‌کند.

معایب:

• راندمان حرارتی پایین‌دارد.
• مصرف سوخت بالااست.
• برای موتور با سرعت متغیر قابل استفاده‌نیست.

————————————————–

مرجع

Types of Combustion Chamber: Functions, Advantages & Disadvantages