عصر خودرو- نزدیک به یک‌و‌نیم قرن از روی کار آمدن موتورهای درونسوز می‌گذرد و با اینکه در کنار انواع پیستونی متداولی که امروزه استفاده می‌شود، نمونه‌های دیگری چون اتکینسون، وانکل و... نیز معرفی شده‌اند، اما محاسن پیشرانه‌های پیستونی امروزی آنقدر است که فقط می‌توان گفت روزی با موتورهای الکتریکی بتوان آنها را از دایره رقابت خارج کرد.
به گزارش پایگاه خبری «عصر خودرو»، این ماندگاری باعث شده است تا در عین اینکه در طول تاریخ خودروسازی از سوخت‌های متفاوتی برای به کار انداختن آنها استفاده شده است، چرخه‌های متفاوتی نیز در این پیشرانه‌ها به کار رود که یکی از آنها، چرخه موتورهای بنزین‌سوز دوزمانه است. در این مطلب نگاهی داریم به تفاوت‌های ساختاری و عملکردی پیشرانه‌های درونسوز دوزمانه و چهارزمانه و بررسی معایب و محاسن آنها.
قلمرو پیشرانه‌ها
بحث دوزمانه و چهارزمانه فقط مربوط به پیشرانه‌های بنزین‌سوز نبوده و در گذشته نمونه‌هایی از موتورهای دیزلی دوزمانه نیز در صنعت خودروسازی وجود داشته‌اند. اما روند کلی طراحی و تولید پیشرانه‌ها به شکلی پیش رفت که انواع دوزمانه به سمت استفاده در موتورسیکلت و ادوات موتوری کوچک کشیده شد و نمونه‌های چهارزمانه نیز برای استفاده در خودروها به کار رفت. با روی کار آمدن بحث آلاینده‌های تولیدی از موتورهای درونسوز، کم‌کم پیشرانه‌های دوزمانه از میدان رقابت خارج شدند و امروزه از آنها فقط برای وسایل موتوری کوچک استفاده می‌شود. با این وجود در عین تفاوت‌های ساختاری اساسی که این دو چرخه سوخت‌و‌ساز با هم دارند، شباهت‌هایی نیز با هم داشته و این تفاوت‌ها و شباهت‌ها منجر به بروز ویژگی‌های مثبت و منفی در آنها شده است.
امروزه از موتورهای دوزمانه در وسایل موتوری مثل اره، ژنراتور تولید برق، سمپاش‌ها و... استفاده می‌شود.
سیکل کاری
سیکل کاری موتورهای بنزین‌سوز و دیزلی و حتی نمونه‌های وانکل باهم فرقی ندارند و همگی بر اساس انجام 4 مرحله مکش سوخت و هوا، تراکم آنها، انفجار مخلوط فشرده‌شده از سوخت و هوا و در نهایت تخلیه دود بعد از آزاد شدن انرژی سوخت، کار می‌کنند. اما نحوه انجام این مراحل است که منجر به بروز تفاوت‌هایی در کارکرد و راندمان پیشرانه‌های دوزمانه و چهارزمانه و همچنین نمونه‌های ونکل، دیزلی و بنزینی می‌شود.
در موتورهای بنزینی چهارزمانه، با پایین‌رفتن پیستون، مکشی درون سیلندر ایجاد می‌شود و هوا از طریق کاربراتور یا ورودی هوا در موتورهای انژکتوری، به داخل سیلندر کشیده می‌شود. در موتورهای کاربراتوری این حجم هوا با عبور از ورودی کاربراتور، مقداری سوخت نیز با خود به داخل سیلندر وارد می‌کند و در موتورهای انژکتوری، سوخت توسط نازل‌ها پاشش خواهد شد. ورود هوا و سوخت از طریق سوپاپ هوا یا همان سوپاپ گاز صورت می‌گیرد. پیستون بعد از رسیدن به پایین‌ترین نقطه مسیر حرکتش در سیلندر که به نقطه مرگ پایین شناخته می‌شود، به سمت بالا برای فشرده‌کردن مخلوط سوخت و هوا حرکت می‌کند. با رسیدن به نقطه مرگ بالا، جرقه زده می‌شود که البته جرقه، بسته به تنظیم موتور می‌تواند حتی مقدار بسیار کمی تا قبل از رسیدن پیستون به بالاترین نقطه در سیلندر یا نقطه مرگ بالا زده شود و یا بعد از عبور پیستون از این نقطه این اتفاق بیفتد. در این مرحله انرژی نهفته در سوخت و هوا آزاد شده و پیستون به سمت پایین پرتاب می‌شود و سپس با بالا آمدن دوباره، سوپاپ دود باز شده و دود حاصل از احتراق به سمت بیرون هدایت می‌شود. این مراحل، 4 مرحله تولید انرژی از سوخت، درون سیلندرها بود. در طی هر بار بالا رفتن و یا پایین آمدن پیستون، میل‌لنگ نیم دور می‌زند که در یک سیکل کاری، پیستون چهاربار بالا و پایین رفته و میل‌لنگ دو دور زده است.
اما در موتورهای دوزمانه هرچند مراحل شبیه به موتورهای چهارزمانه است اما هر دو مرحله در واقع در ترکیب با هم انجام می‌شوند. به این معنی که با پایین رفتن پیستون و عبور از مسیر ورودی، مخلوط سوخت و هوا وارد سیلندر می‌شود. با بالارفتن پیستون، دود باقیمانده از مرحله قبل از طریق مسیر خروجی با بالا آمدن پیستون، خارج می‌شود و همزمان مخلوط سوخت و هوا نیز فشرده خواهد شد. با رسیدن پیستون به بالاترین نقطه در سیلندر، مخلوط فشرده شده منفجر می‌شود و پیستون به پایین پرتاب خواهد شد. همان‌طور که می‌بینیم، در یک موتور دوزمانه، پیستون مسئولیت باز‌کردن و بستن مسیر ورودی و خروجی را عهده‌دار است که با عبور از روبه‌روی آنها، این وظیفه انجام می‌شود و این در حالی است که در موتورهای چهارزمانه، سوپاپ‌ها عهده‌دار این کار هستند. ضمن اینکه در یک سیکل کاری در موتورهای دوزمانه، میل‌لنگ با دوبار حرکت بالا و پایین پیستون، یک دور می‌زند که دقیقا نصف همین حالت در یک موتور چهارزمانه است.
تفاوت ها
یک سیکل کاری در موتورهای چهارزمانه با دوبار چرخش کامل میل‌لنگ همراه است که در این دوبار چرخش، شاهد یک‌بار جرقه شمع هستیم. این چرخه در موتورهای دوزمانه در یک بار چرخش میل‌لنگ رخ می‌دهد که در این یک دور چرخش هم شاهد یک بار جرقه شمع هستیم.
در موتورهای چهار زمانه باید از یک فلایویل سنگین در انتها و یک بالانسر در سر میل‌لنگ استفاده شود تا به این شکل میل‌لنگ همیشه به صورت متعادل و اصطلاحا بالانس به کار خود ادامه دهد. این عیب به خاطر وجود یک بار جرقه‌زنی و تولید نیرو در 4 مرحله تولید انرژی است. اما در موتورهای دوزمانه چون در یک دور حرکت میل‌لنگ، انرژی آزاد می‌شود و در واقع نصف یک موتور چهارزمانه سیکل آن طول می‌کشد، پس به فلایویل سبک‌تری نیاز است و موتور به طور ذاتی بالانس بهتری دارد.
پیشرانه‌های چهارزمانه دارای قطعات بیشتری خصوصا در سرسیلندر هستند که این اتفاق باعث بالارفتن استهلاک، پیچیدگی و همچنین حساسیت کاری و وزن آنها می‌شود. موتورهای دوزمانه دارای ساختار ساده‌تری هستند.
موتورهای چهارزمانه همچنین به خاطر مجموع دلایلی که گفته شد، دارای قیمت بالاتری هستند. پیچیدگی بیشتر این موتورها منجر به افزایش قیمت طراحی اولیه و ساخت آنها می‌شود.
همان‌طور که گفته شد، موتورهای چهارزمانه دارای پیچیدگی بیشتری بوده و قطعات بیشتری نیز دارند. ضمن اینکه هر سیکل کاری آنها شامل چهاربار حرکت پیستون و دوبار چرخش کامل میل‌لنگ می‌شود. همین موارد باعث افزایش اصطکاک درونی بین قطعات این پیشرانه شده و در نتیجه بازده مکانیکی کمتری نسبت به موتورهای دوزمانه دارند.
اما وجود 4 مرحله جدا در انجام یک سیکل کاری در موتورهای چهارزمانه باعث می‌شود تا این پیشرانه‌ها دارای خروجی بیشتری باشند چرا‌که نسبت به موتورهای دوزمانه، هوا و سوخت به طور کامل‌تری وارد سیلندرها می‌شود، دود به شکل کامل‌تری خارج می‌شود و مخلوط‌شدن سوخت و هوا با دود باقیمانده در سیلندرها به‌مراتب کمتر خواهد بود.
پر‌شدن و تخلیه‌شدن کامل‌تر سیلندرها در موتورهای چهارزمانه و در مقابل آن بالاتر‌بودن خروجی نسبت به یک پیشرانه هم‌حجم دوزمانه باعث می‌شود تا برای رسیدن به قدرت مورد نیاز، فشار کمتری به پیشرانه وارد شود. این ویژگی باعث می‌شود تا گرمای تولیدی این موتورها در مقایسه با نمونه‌های دوزمانه، کمتر باشد.
با این وجود چون اندازه و ابعاد یک موتور چهارزمانه بزرگ‌تر از یک موتور دوزمانه با همان حجم است، پس لازم است تا برای خنک‌شدن آن از رادیاتور و سیستم آبی استفاده کرد. این در حالی است که یک موتور دوزمانه با حجم پایین را می‌توان با افزایش پره‌های اطراف آن و به دنبال آن افزایش تبادل دمایی پیشرانه با هوای آزاد، خنک کرد.
چون یک موتور چهارزمانه به طور کامل‌تری، سوخت را مصرف می‌کند، پس می‌تواند قدرت بیشتری را با مصرف سوخت کمتری به دست آورد. این اتفاق باعث کاهش مصرف سوخت در یک موتور چهارزمانه می‌شود.
همان‌طور که گفته شد، آزاد‌شدن انرژی نهفته در سوخت در یک موتور دوزمانه در یک دور چرخش میل‌لنگ اتفاق می‌افتد. این کار باعث می‌شود تا با استفاده از این پیشرانه‌ها در یک وسیله نقلیه، شتاب‌گیری بالاتری داشته باشیم. به همین خاطر تا چند سال پیش، موتورسیکلت‌های کراس را با موتورهای دوزمانه می‌ساختند.
حجم و ابعاد بزرگ‌تر پیشرانه‌های چهارزمانه باعث می‌شود تا در مقایسه با انواع دوزمانه، نیاز به حجم بیشتری در یک وسیله نقلیه داشته باشند. همچنین پیشرانه‌های چهارزمانه دارای سیستم روانکاری پیچیده‌تری هستند و این در حالی است که موتورهای دوزمانه معمولا روغن لازم برای روانکاری را به همراه سوخت مورد استفاده قرار می‌دهند. این تفاوت در روانکاری قطعات باعث می‌شود تا موتورهای دوزمانه در هر حالتی بتوانند روشن بمانند اما روانکاری در پیشرانه‌های چهارزمانه اگر بیش از اندازه دچار تغییر زاویه شوند، به مشکل خورده و دچار عیب می‌شوند.
مصرف‌کردن مقداری روغن به همراه سوخت در موتورهای دوزمانه باعث می‌شود تا این پیشرانه‌ها آلایندگی بالاتری داشته باشند و همین نکته در کنار راندمان حرارتی پایین‌تر به بزرگترین نقطه ضعف این موتورها و در نتیجه کنار گذاشتن تدریجی آنها در وسایل نقلیه شده است.
موتورهای دوزمانه دارای سر و صدای تولیدی بیشتری نیز هستند. این در حالی است که ساختار یک پیشرانه چهارزمانه باعث می‌شود تا به طور معمول آلودگی صوتی کمتری داشته باشد.
سیلندر در موتورهای چهارزمانه با کمک سوپاپ‌ها، پُر و تخلیه می‌شوند. این در حالی است که موتورهای دوزمانه دارای یک مسیر ورود هوا و سوخت و یک مسیر برای خروج دود هستند که باز و بسته‌شدن این مسیر‌ها به واسطه عبور پیستون از مقابل آنها صورت می‌گیرد.
نویسنده: علیرضا داودی
