برای اینکه خودروهای امروزی با شتاب و سرعت بالا حرکت کنند، نیاز بود تا مهندسان مختلف دست به اختراعات زیادی بزنند. یکی از آن‌ اختراع‌ها موتورهای احتراق داخلی و خارجی است که داستان آن با آگوست اتو آلمانی شروع شد. دو نوع از موتورهای احتراق که هرکدام به انواع مختلف تقسیم می‌شوند. از چهارزمانه و دوزمانه تا توربین گاز و موتور جت. در این مقاله از مجله‌ی خودرویی ستوده در کنار مقایسه‌ی این دو نوع از موتور احتراق با معایب و مزایای هرکدام آشنا خواهیم شد.

موتور درون‌سوز؛ اختراعی که خودروسازی به آن مدیون است

مکش، تراکم، انفجار و تخلیه. اگر قرار باشد خلاصه‌ای از عملکرد موتورهای درون‌سوز بگوییم باید به این چهار کلمه رجوع کنیم. در این کلمات سیستم ماندگاری وجود دارد که با پیشرفت صنعت خودروسازی همچنان یکی از فناوری‌های مورد استفاده است. برای این اختراع باید از نیکلاس آگوست اتو (Nikolaus August Otto)، تشکر کنیم. مهندس آلمانی سال ۱۸۶۱ دست به اختراع موتور بنزینی زد و ۱۸۶۷ موتورهای درون‌سوز را به صنعت خودروسازی وارد کرد. موتورهای دوزمانه و چهار زمانه‌ هم از اختراع‌های او به حساب می‌آید. مکانیسم موتور درون سوز اتو الهام‌ گرفته‌شده از دستگاه بخار جیمز وات بود که مفهوم اسب بخار مدیون اختراع او بود.

او پیشرانه‌ای‌ طراحی کرد که به‌طور مستمر مکش، تراکم، انفجار و تخلیه را انجام می‌داد. روزهای ابتدایی اختراع این موتور، هنوز خودروهای مناسبی برای استفاده از آن‌ها وجود نداشت، چون با بالا رفتن میزان سوخت، احتراق‌ها به انفجار تغییر پیدا می‌کردند و موتور به سرعت دچار سوختگی می‌شد. این مشکل با موتور درون‌سوز دو مرحله‌ای جوزف دی تا حد زیادی برطرف شد. عملکرد رفت‌وبرگشتی موتور دو زمانه به این صورت انجام می‌گرفت که در مرحله‌ی اول انفجار، دم و بازدم صورت می‌گرفت و مرحله‌ی نوبت به ترکیب تخلیه و تراکم می‌رسد. موضوعی که باعث می‌شد تا انفجار انجام‌شده با فرایند تخلیه به صورت جداگانه انجام شود تا احتراق گسترده‌ای رخ ندهد. کار اصلی موتور تبدیل انرژی از شکلی به شکل دیگر است و موتور احتراقی، فارغ از درون‌سوز یا برون‌سوز بودن (یا همان داخلی و خارجی) سوخت را به انرژی حرارتی و در نهایت به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند تا وسیله به حرکت دربیاید.

عملکرد موتورهای داخلی (درون‌سوز)

در موتورهای درون‌سوز (احتراق داخلی) (Internal Combustion Engine) که به اختصار به شکل ICE یا IC هم نوشته می‌شود، ترکیب سوخت و اکسنده (هوا یا اکسیژن) درون محفظه احتراق منجر به واکنش و سوختن می‌شود. احتراق، گازهای داغ با دما و فشار بالا تولید می‌کند و انبساط این گازها، به حرکت پیستون موتور انجام کار منتهی می‌شود. معمولاً اصطلاح موتورهای درون‌سوز را برای خودروها استفاده می‌کنند. با اینکه، موتورهای موشک و جت عملکرد مشابهی دارند. موتورهای درون‌سوز انواع مختلفی دارند: موتورهای پیستونی چهارزمانه و دو زمانه، موتورهای دوار (وانکل) و موتورهای توربین گاز مثل موتور جت. در ادامه درباره‌ی موتورهای چهار زمانه و دو زمانه توضیح مختصری آمده است:

موتور چهار زمانه

این مدل از موتور احتراق داخلی، به دلیل قدمت ۱۵۰ساله‌ای که دارد، از دیگر انواع معروف‌تر است که به دو نوع بنزینی و دیزلی تقسیم‌ می‌شود. تفاوت این دو نوع موتور، در شکل سوخت‌شان است که بزنینی معمولاً در خودروهای سبک و موتور سیکلت‌ها استفاده می‌شود و نوع دیزلی چون بازدهی بالاتری دارد مناسب خودروهای سنگین و کامیون‌ها است.

موتور دو زمانه

موتورهای دو زمانه، ابعاد کوچک‌تری دارند و بیشتر برای استفاده در موتورسیکلت‌ مناسب‌اند. این نوع از موتورها در ابتدای ساخت، سوپاپ کنترلی برای ورود و خروج به موتور تعبیه نشده بود و میزان آلایندگی بالایی داشتند.

موتور احتراق خارجی (برون‌سوز)

موتور برون‌سوز یا احتراق خارجی (External combustion) یا به اختصار EC، نوعی از موتور است که کمپانی‌های خودروسازی رای کاهش آلاینده‌های موتورهای درون‌سوز، دست به ساخت آن‌ها زدند. در موتور‌های EC یا احتراق خارجی، سیال داخلی یا همان سوخت بنزین یا گازوئیل، به واسطه‌ی احتراق خارج از سیستم گرم می‌شود. بعد از آن است که سیال با واردن شدن به چرخه‌ای ترمودینامیکی و اعمال نیروی مورد نیاز، دوباره از سیستم خارج و سرد می‌شود. به بیان‌ ساده‌تر، در بیرون از موتور، انرژی شیمیایی سوخت به انرژی حرارتی بدل می‌شود تا برای تولید نیروی مکانیکی به موتور منتقل شود. مثال این ساختار در موتور‌های استرلینگ به کار رفته است. رابرت استرلینگ سال ۱۸۱۶ ماشین تولید گرمایی اختراع کرد که حتی امروزه هم اساس طراحی پیشرانه‌های سامانه‌ی حرکتی قایق‌ها و زیردریایی‌ها است.

عملکرد موتور استرلینگ به این شکل است که هیچوقت گاز مصرف شده خارج نمی‌شود و موتور امکان استفاده‌ی دوباره از آن را دارد. دلیل بی‌صدا بودن این پیشرانه‌ها هم دقیقاً همین است. با اینکه تاریخ خودروسازی مثال‌هایی از خودروهای احتراق خارجی را به چشم دیده ولی هیچ‌کدام به مرحله‌ی تولید انبوه ورود نکرده‌اند. یکی دلایل اصلی‌ عدم استقبال از پیشرانه‌های برون‌سوز (احتراق خارجی)، نیروی تولیدی بسیار پایینی در مقایسه با حجم بنزین یا گازوئیل مصرف‌شده‌ی آن‌هاست.

تفاوت‌ موتورهای احتراق داخلی و خارجی در چیست؟

در تعریف‌هایی که از این دو نوع موتور ارائه کردیم، تفاوت‌ها کاملاً مشهود است. در اینجا به طور خلاصه مهم‌ترین تفاوت‌های موتور احتراقی درون‌سوز (داخلی) و برون‌سوز (خارجی) را فهرست کرده‌ایم:

• سوخت موتور درون‌سوز، درون سیلندر دچار احتراق می‌شود ولی احتراق سوخت در موتورهای برون‌سوز، خارج از سیلندر.
• انتقال انرژی در موتور احتراق خارجی مستلزم دیگ بخار و اجزای مختلفی است که وزن آن را زیاد می‌کند. اما در آن سو، نیازی به دیگ بخار نیست و به همین دلیل موتور درون‌سوز سبک است و به فضای کمتری نیاز دارد.
• موتور احتراق داخلی در مقایسه با احتراق خارجی، سریع‌تر است.
• راندمان موتور احتراق داخلی حدود ۳۵ تا ۴۵ درصد است. ولی این میزان برای موتور احتراق خارجی ۱۵ تا ۲۵ درصد تخمین زده می‌شود.
• موتور احتراق داخلی توان تولیدی بیشتری در واحد وزن دارد.
• هزینه‌ی سوخت موتور احتراق داخلی در مقایسه با موتور احتراق خارجی به مراتب گران‌تر است.

نتیجه‌گیری

هرکدام از موتورهای احتراق داخلی و خارجی مزایا و معایب مربوط به خودشان را دارند که استفاده‌های متفاوتی را در اختیار مهندسان خودروسازی ممکن می‌کند. با درنظر گرفتن پیشرفت‌های تکنولوژی، در آینده ممکن است موتورهای احتراق با تغییرات و بهبودهای بیشتری همراه شوند که بر بازدهی و کاهش آلودگی تأثیر زیادی داشته باشد. برای مثال، فیلترهای کاتالیزوری و سیستم‌های کنترل احتراق آلودگی موتورهای احتراق داخلی را تا حد زیادی می‌توانند کاهش دهند. در نهایت این که کدام موتور مناسب‌ و به صرفه‌‎ است، مشخصاً به نیاز کاربر آن بستگی دارد. با توجه به تعریف‌های ارائه شده می‌توان در مورد آن تصمیم‌گیری کرد.