قسمتهای یک موتور
سیلندر
تقسیمات و انواع سیلندر
همانطور که ذکر شد سیلندر ها دارای طیف وسیعی از اندازه و تعداد می باشند. لیکن تقسیم بندی سیلندرها را می توان بر اساس نحوه ساخت و ریخت داخلی آنها انجام داد. چرا که هر گروه از سیلندرها در ابعاد و تعداد مختلف ساخته می شوند. بدنه موتورها یا همان بلوک سیلندر معمولا به شکل ریخته گری و از جنس چدن یا آلیاژ آلومینیم می سازند. در حین ساخت این قطعه ریخته گری مجاری عبور آب را نیز در درون آن تعبیه می کنند. پس از تولید بدنه مجاری عبور روغن از طریق سوراخکاری در بدنه بلوک سیلندر ایجاد می شوند. البته ممکن است این مجاری نیز در مرحله ریخته گری تعبیه شوند. برای سیلندرهایی که پیستون درون آنها حرکت می کند می توان یکی از ساختارهای زیر را بکار برد.
* بلوک یکجا :
در موتور اکثر وسایل نقلیه از آرایش بلوک یکجا استفاده می شود. که در آن سیلندرها مستقیما در بدنه بلوک سیلندر ریخته گری می شوند.
بلوک سیلندر :
به مجموعه سیلندرهای کنار یکدیگر و مجاری آب و روغن اطراف آنها اتلاق می گردد.
* بوش خشک :
در این بلوک سیلندر دیواره داخلی سیلندر را از یک استوانه قابل تعویض می سازند که اصطلاحا به این استوانه قابل تعویض بوش می گویند. کلمه خشک را نیز به این دلیل به کار می برند که آب خننک کننده موتور مستقیما با دیواره این بوش در تماس نیست.
* بوش تر :
در این بلوک سیلندر دیواره داخلی سیلندر را یک بوش تشکیل می دهد لیکن این بوش بصورت مستقیم با آب سیستم خنک کاری موتور در تماس است و با آن از طریق مستقیم تبادل حرارتی انجام می دهد.
ساختار
سیلندرها استوانه های توخالی هستند که محل بالا و پایین رفتن پیستون می باشند. لیکن چگونگی و کیفیت سطح داخلی سیلندرها که در تماس با پیستون است بسیار مهم است. دیواره های چدنی یا آلو مینیمی سیلندرها به منظور فراهم آوردن یک سطح صاف برای حرکت پیستون ها باید صیقل زده شود. صیقلی بودن سطح داخلی سیلندرها به خاطر کم کردن اصطکاک میان پیستون و جداره سیلندر است. البته بدیهی است که اصطکاک باعث تولید حرارت اضافی و هدر رفتن انرژی می شود که می بایست تا حدامکان از آن جلوگیری کرد.
برای این منظور از روغن نیز استفاده می شود. سیلندرها و بوش ها دارای سطح پرداخت شده ای (صیقل خورده) می باشند که دارای هاشورهای (شیارهای) بسیار کوچکی است که به شکل متقاطع و در حین حرکت بالا و پایین سنگ سمباده در درون سیلندر ایجاد شده است. این هاشورهای متقاطع از گیر کردن رینگ های پیستون جلوگیری کرده و در ضمن سطحی را برای نگهداری روغن روان ساز فراهم می آورند.
پیستون
ساختمان پیستون
پیستونها به شکل یک استوانه توخالی هستند که یک سر آنها بسته و سر دیگرشان باز است که از طریق این سر و بوسیله شاتون به میل لنگ متصل می شود البته معمولا قطر پیستون در سر باز آن بیشتر است. به عنوان یک مثال اگر یک استکان را برگردانید تقریبا شکل کلی یک پیستون را خواهید دید.
طول پیستونها معمولا کمی بیشتر از قطرشان است و تا حد امکان سبک ساخته می شوند. پیستونها می بایست دارای استحکام لازم بوده و کیفیت بالایی داشته باشند در ضمن می بایست بتوانند به خوبی حرارت را هدایت کنند. هدایت حرارت در پیستون بسیار حیاتی است زیرا در غیر اینصورت پیستون بسیار داغ شده و خطر چسبیدن آن بر اثر انبساط به جداره سیلندر پیش می آید.
مواد ساختمانی
موادی که برای ساختن پیستونها بکار می روند عبارتند از چدن خاکستری ، فولاد ریخته گری ، و آلیاژ آلومینیوم. از چدن یا فولاد معمولا در ساختار پیستونهای موتورهای سنگین که به سرعت زیاد و شتاب آنی نیاز ندارند استفاده می شود. در اغلب موتورهای اتومبیلها از پیستونهایی استفاده می شود که با آلیاژ آلومینیوم ساخته شده اند. دلیل این تفاوت اینست که مواد بکار رفته در پیستونهای اتومبیل ها با وزن سبکتر خود اجازه کار در سرعت های بیشتر و انعطاف پذیری درسرعت های مختلف را به پیستونها می دهند.
از طرف دیگر در بعضی از موتورهای سنگین از پیستونهای آلیاژ آلومینیومی به لحاظ داشتن خواص رسانش گرمایی مناسب این ماده استفاده می شود بدین ترتیب که استفاده از آن ، کنترل بهتر حرارت محفظه احتراق را فراهم آورده و بنابراین باعث کنترل بهتر احتراق می گردد. پیستونهای چدنی در مقابل فرسودگی مقاومت بیشتری داشته شی کمتری در داخل سیلندر نسبت به پیستونهای آلومینیومی نیاز دارند (اصطلاح لقی پیستون به فاصله میان پیستون و جداره سیلندر گفته می شود). پیستونها چدنی گاهی اوقات با قلع یا یک فلز مخصوص روکش داده می شوند تا جلای صاف تر و مقاومت بهتری در مقابل فرسودگی بوجود آورند.
عیب پیستونهای آلومینیومی
عیب مهم پیستونهای آلیاژ آلومینیومی اینست که دارای ضریب انبساط بالایی می باشند. این بدان معناست که لقی در این پیستون می بایست اندکی بیشتر از لقی در پیستونهای چدنی باشد، معمولا برای جلوگیری از انبساط پیستونها از روشهای مخصوصی استفاده می شود که در ذیل چهار روش رایج آنها را به اختصار می کنیم.
روش اول
در این روش مقطع بدنه پیستون را به جای آنکه به شکل دایره بسازند. به شکل بیضی عمود بر محور انگشتی پیستون و قطر کوچک آن در جهت انگشتی پیستون باشد.
روش دوم
در این روش برای کنترل کردن انبساط پیستون بر اثر حرارت یک سری شکافهای عمودی و افقی و یا فرو رفتگیهایی در بدنه پیستون ایجاد می گردد.
روش سوم
در این روش برای کنترل انبساط حرارتی پیستون از روش تقویت کردن یا دو فلزی نمودن قسمتی از پیستون که در معرض حرارت بیشتری قرار دارد، استفاده می گردد. بدین ترتیب که در داخل پیستون نواری از فولاد یا یک فلز مخصوص (که فلز غیر قابل تغییر نامیده می شود) قرار می دهند و روی آنها را با ماده اصلی یا آلیاژ های آلومینیوم پوشش می دهند. در بعضی از پیستونها مواد فولادی بصورت حلقه ای در موقع ریخته گری داخل پیستون قرار می گیرند.
روش چهارم
در این روش برای جلوگیری از انتقال حرارت سر پیستون (که در مجاورت احتراق سوخت است) به بدنه پیستون ، یک سر حرارتی شامل شیاری است که در نزدیکی سر پیستون و به موازات شیارهای رینگ ایجاد می شود با این عمل تا اندازه ای راهی که حرارت را از سر پیستون به بدنه آن منتقل می سازد کمتر می کنند. بنابراین بدنه زیاد گرم نمی شود و انبساط زیادی پیدا نمی کند.
قسمت های اصلی پیستون
قسمت های اصلی پیستون عبارتند از سر یا تاج ، شیارهای رینگ ، سطوح پیستون ، بدنه یا دامن و سوراخ انگشتی.
سر یا تاج پیستون
این قسمت سطح بالایی پیستون است معمولا دایره ای شکل است و نیروی تولید شده توسط سوخت مستقیما روی آن وارد می شود سر بعضی از پیستونها خصوصا پیستونهای موتورهای دوزمانه و موتورهای دیزلی فرمدار ساخته می شود.
شیارهای رینگ
شیارهای محل قرار گرفتن رینگ ها در قسمت بالای پیستون می باشند در هر پیستون معمولا 3تا 5 شیار رینگ وجود دارد. پایین ترین شیارها متعلق به رینگ های روغن می باشد و همین دلیل در ته این شیار منافذی برای ورود روغن به داخل پیستون تعبیه شده است.
سطوح پیستون ها
تکیه گاهها یا سطوح عبارتست از لبه هایی که بین شیارهای رینگ قرار گرفته اند بگونه ای که رینگها را در شیارهای خود نگه داشته و حمایت می کنند.
بدنه یا دامن پیستون
بدنه پیستون به قسمت خارجی آن گفته می شود که در زیر شیارهای رینگ قرار دارد. پیستون توسط بدنه در حالت راست قرار می گیرد.
سوراخ انگشتی
سوراخ انگشتی محلی است که شاتون بوسیله انگشتی به پیستون متصل می گردد. اطراف دو سوراخ انگشتی پیستون (در داخل پیستون) ضخیم تر ساخته شده است تا استقامت این سوراخها افزایش یابد. هر یک از این قسمت ها ، برجستگی انگشتی پیستون نامیده می شود.
طرز کار پیستون
همانگونه که ذکر شد پیستون اولین قطعه متحرک موتور است که باعث می شود تا انرژی آزاد شده از احتراق سوخت در دسترس قرار بگیرد. بدین منظور پیستون با حرکات خود ابتدا باعث ورود هوا و یا مخلوط هوا و سوخت به داخل سیلندر می شود (در هنگام حرکت به سمت پایین) ، سپس باعث فشرده شدن مخلوط مذکور می گردد و در ضمن به نحو رضایت بخشی از نشت کردن گازها جلوگیری می کند (در هنگام حرکت رو به بالا) ، پس از عمل احتراق انرژی آزاد شده توسط پیستون جذب شده و با کمک شاتون به میل لنگ منتقل می گردد. و در نهایت پیستون باعث بیرون راندن گازهای ناشی از احتراق از محفظه سیلندر می گردد.
سوپاپ
انواع سوپاپ ها
* سوپاپ هوا : از لحاظ اندازه مقداری بزرگتر از سوپاپ دور است و در دمای پایین تری کار می کند.
* سوپاپ دود : به علت تماس مداوم با احتراق یا گازها داغ ناشی از احتراق دمای بالاتری دارد. و البته از لحاظ اندازه هم کوچکتر است.
ساختمان سوپاپ
سوپاپ های متداول امروزی معمولا از نوع سوپاپ قارچی شکل یا پایه دار می باشند. این سوپاپ ها شامل یک ساقه (که به مشابه ساقه قارچ است) و یک سه تخت و پهن (که مشابه کلاهک قارچ) می باشند. همچنین سه سوپاپ دارای یک لبه مورب است که وجه نامیده می شود. همچنین محل قراررگیری سوپاپ که در سرسیلندر و یا خود سیلندر قرار دارد نیز دارای یک لبه به نام نشیمنگاه است.
در انتهای دیگر سوپاپ یعنی بر روی ساقه آن یک یا گاهاً دو فنر قوی قرار دارد که بوسیله یک نگهدارنده و دو عدد خار به انتهای سوپاپ محکم شده اند. فنر سوپاپ موجب می گردد تا وجه سوپاپ بر روی نشیمنگاه سوپاپ محکم نگهداشته شده و بدین ترتیب از هر گونه نشتی در زمانهای تراکم و قدرت جلوگیری شود. زاویه رایج برای وجه و نشیمنگاه سوپاپ 45 درجه است. اما برای سوپاپ های هوا گاهی از زاویه 30 درجه نیز استفاده می شود.
مواد ساختمانی و ترکیبات سوپاپ
از آنجایی که سوپاپ ها در مقابل حرارات زیادی قرار گرفته و با سرعت زیادی کار می کنند در معرض فشار و فرسودگی قابل ملاحظه ای قرار دارند، بدیهی است که سوپاپ تخلیه گازهای ناشی از احتراق ، داغتر از سوپاپ تنفس می شود، زیرا تقریبا در معرض یک شعله مداوم قرار دارد. در حقیقت در شرایطی که موتور زیر بار قرار می گیرد، حرارت آن ممکن است آنقدر بالا رود که سوپاپ به رنگ قرمز کدر درآید.
به منظور ایجاد مقاومت در مقابل شکستگی ، زنگ زدگی ، تاب برداشتن و فرسودگی سریع ، سوپاپ های تخلیه از آلیاژ فولاد مخصوصی ساخته می شوند که دارای مقادیر نسبتا زیادی از کروم ، نیکل ، سیلیس و مقدار کمتری از سایر فلزات می باشد. سوپاپ های تنفس بسیار خنک تر از سوپاپ های دود ، کار می کند. بنابراین کمتر در معرض سوختن ، زنگ زدن و فرسودگی قرار دارند.
گاید یا راهنمای سوپاپ
ساقه سوپاپ در داخل یک بوش (آستری قابل تعویض) که به آن گاید یا راهنمای سوپاپ گفته می شود حرکت می کند در تعداد معدودی از موتورهای گاید ، سوپاپ وجود ندارد جز یک سوراخ که در بدنه سیلندر یا سرسیلندر تعبیه شده است. اما در اکثر موتور خودروهای گاید قابل تعویض می باشد.
ساقه سوپاپ می بایستی در داخل راهنمای خود (گاید) به راحتی حرکت کند. اما تماس و جفت شدن آن دقیق آن با دیواره های گاید برای کنترل روغنکاری و جلوگیری از به هدر رفتن روغن و نیز به هدر رفتن گازها در مرحله متراکم ، بسیار مهم می باشد. بعضی از موتورها به درزگیر های راهنمای سوپاپ مجهز می شوند تا اینکه به کنترل این موارد کمک نمایند.
لقی ساق سوپاپ
در فاصله میان ساقه سوپاپ ها و گایدهای آنها می بایست یک لقی مناسب وجود داشته باشد همانگونه که ذکر شد لقی بیش از اندازه به روغن اجازه می دهد که به طرف پایین ساق سوپاپ ، و به درون مجاری ورودی هوا و خروجی دود جریان یابد و سبب افزایش مصرف روغن گردد.
هرچند که این لقی می بایست به اندازه ای باشد که اجازه ورود مقداری روغن را جهت روانسازی به هادی سوپاپ بدهد، لقی مذکور به علت اختلاف اندازه میان قطر ساق سوپاپ و قطر داخلی هادی سوپاپ ها بوجود می آید. قطر این قطعات و در نتیجه میزان لقی قابل قبول ساقه سوپاپ ها در دفترچه راهنمای سازنده مشخص شده است.
نشیمنگاه سوپاپ
وقتی که فنر سوپاپ ، لبه سوپاپ را در مقابل نشیمنگاه سوپاپ بطور محکم فشار دهد، آب بندی صورت می گیرد. ماشین کاری نشیمنگاه ممکن است. مستقیما روی سه سیاندر و یا روی حلقه نشیمنگاهی مقاومی که در درون سه سیلندر قرار می گیرد و از جنس فولاد مقاوم ساخته می شود انجام پذیرد. گاهی برای کاهش فرسودگی در نشیمنگاهها از بوش ها استفاده می کنند.
مزیت دیگر بوش های نشیمنگاه (علاوه بر کاهش فرسودگی) اینست که به آسانی قابل تعویض بوده و نیاز به ماشین کار را از بین می برند لازم به ذکر است که در صورت پدیدار شدن فرسودگی در لبه سوپاپ ها و یا در نشیمنگاه ، هر دوی آنها را می توان با عملیات سنگ زنی تغییر کرد، سطح تماس بین لبه سوپاپ و نشیمنگاه آن باید آنقدر پهن باشد تا اجازه انتقال گره را بدهد و آنقدر باریک باشد تا به از بین بردن رسوبات کمک کند. لازم به ذکر است که شکل هندسی صحیح لبه های سوپاپ ها و نشیمنگاهها توسط سازنده ذکر است.
طرز کار سوپاپ
همانگونه که ذکر شد سوپاپ ها وظیفه دارند تا در زمانهای مناسب ابتدا هوا را وارد سیلندر سازند. پس از آن در مراحل متراکم و قدرت (احتراق سوخت) بسته بمانند و سپس در مرحله تخلیه گازهای ناشی از احتراق را از سیلندر خارج کند. اما مکانیسم عمل سوپاپ چگونه است و این تنظیم زمانی و نیز نیروی محرکه سوپاپ ها از کجا می آید؟
زمانبندی کار سوپاپ ها
محل زمانبندی و تنظیم زمانهای باز شدن یا بسته ماندن سوپاپ ها را قطعه ای به نام میل بادامک انجام می هد. این میله با توجه به ساختار و شکل برجستگیهای روی آن (بادامک ها) تعیین می کند که سوپاپ ها می بایست در چه زمانی باز شده و پس از آن بسته شوند. همچنین تعیین می کند که بسته ماندن سوپاپ ها می بایست تاکی ادامه پیدا کند. همانگونه که ذکر شد حرکات و باز و بسته شدن سوپاپ ها می بایست کاملا هماهنگ باشد با حرکات بالا و پایین رفتن پیستون در سیلندر.
برای تامین کردن این هماهنگی در ساختمان موتورها میل بادامک ها را در ارتباط ثابت و
همیشگی با میل سنگ نگه می دارند.
از آنجا که میل لنگ تحت تاثیر حرکات بالا و پایین پیستون می چرخد از اینرو حرکت میل بادامک به خودی خود با حرکت پیستون هماهنگ می شود. این هماهنگی باعث می شود تا در لحظه پایین آمدن در ابتدای کورس خود ، به منظور مکش هوا به داخل سیلندر میل بادامک سوپاپ هوا را باز کند. اینکار تا زمانی ادامه می یابد که پیستون شروع به متراکم ساختن هوای ورودی سازد در این زمان سوپاپ هوا و سوپاپ دود هر دو بسته شده اند. بسته بودن سوپاپ تا پایان مرحله قدرت ادامه پیدا می کند در این لحظه با شروع پیستون به حرکت رو به بالای خود سوپاپ دود هم باز شده و تا رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا باز می ماند. پس از آن سیکل جدیدی آغاز می شود.
سیستم راه انداز سوپاپ
برای راه اندازی و باز بسته کردن سوپاپ ها در موتورهای مختلف و وابسته به نوع و ساختار آن موتورها قطعات متفاوتی وجود دارد اما بطور کلی قطعات مورد نیاز برای باز و بسته شدن صحیح سوپاپ ها عبارتند از میل بادامک ، بالابر ، میله فشارنده ، اسبک سوپاپ ، انگشتی سوپاپ و فنرهای سوپاپ البته محل و ترتیب سوپاپ ها در وجود یا عدم وجود این قطعات موثر است.