گیتی هومانفر
تفاوت طراحی پیستون های موتور دیزلی و موتور بنزینی
پیستون یکی از اجزای اصلی و حیاتی در موتورهای احتراق داخلی است که وظیفه تبدیل انرژی حاصل از احتراق سوخت به حرکت مکانیکی را بر عهده دارد. با وجود عملکرد مشابه، پیستون در موتورهای دیزلی و بنزینی دارای تفاوت‌هایی در طراحی، ساختار و مواد به‌کاررفته است. این تفاوت‌ها ناشی از شرایط عملکردی متفاوت این دو نوع موتور، مانند فشار احتراق، دمای کاری، نوع سوخت و روش احتراق هستند. در این مقاله به بررسی و مقایسه طراحی پیستون های موتور دیزلی و موتور بنزینی می‌پردازیم.
با اتو مگ همراه باشید
تفاوت در نحوه احتراق و تأثیر آن بر طراحی
- احتراق در موتور بنزینی: در موتورهای بنزینی، مخلوط سوخت و هوا قبل از ورود به سیلندر آماده می‌شود و توسط شمع جرقه زده می‌شود. فشار احتراق در این موتورها معمولاً بین ۸ تا ۱۲ بار است.
- احتراق در موتور دیزلی: در موتورهای دیزلی، هوا ابتدا تا فشار بالا فشرده می‌شود (تا حدود ۱۵ تا ۲۵ بار) و سپس سوخت مستقیماً به داخل سیلندر تزریق می‌شود. احتراق خودبخودی در اثر دمای بالای هوای فشرده اتفاق می‌افتد.
تأثیر طراحی:
- نوع دیزلی باید مقاومت بالایی در برابر فشار و دمای بالای احتراق داشته باشد.
- نوع بنزینی می‌تواند سبک‌تر و با طراحی ساده‌تر باشد.
فشار و دمای کاری
موتورهای دیزلی معمولاً تحت فشار و دمای بالاتری نسبت به موتورهای بنزینی کار می‌کنند. دلیل آن استفاده از احتراق فشاری (Self-Ignition) به جای جرقه در موتورهای بنزینی است. این فشار بالا منجر به اعمال نیروی بیشتری بر پیستون می‌شود. بنابراین:
- موتور دیزلی باید استحکام و مقاومت بیشتری داشته باشد.
موتور بنزینی می‌تواند سبک‌تر و نازک‌تر طراحی شود.
شکل هندسی تاج پیستون (Piston Crown)
در موتور دیزلی:
- دارای فرورفتگی مرکزی (بشقابی یا بیضوی) جهت تمرکز پاشش سوخت و بهبود آشفته‌سازی (Turbulence).
- هدف: بهبود اختلاط سوخت و هوا و افزایش راندمان احتراق.
در موتور بنزینی:
- معمولاً تاج تین قطعه، صاف یا کمی محدب است.
- چون مخلوط سوخت و هوا پیش از ورود آماده شده، نیاز به طراحی خاص جهت اختلاط در سیلندر نیست.
متریال و روش تولید
دیزلی:
- از آلیاژهای فولاد آلیاژی، آلومینیوم با سیلیس بالا یا حتی کامپوزیت‌های مقاوم به حرارت ساخته می‌شود.
- برخی نمونه‌ها به روش فورج سرد (Cold Forging) تولید می‌شوند که استحکام ساختاری بالاتری فراهم می‌کند.
بنزینی:
- عمدتاً از آلیاژ آلومینیوم سبک با هدایت حرارتی بالا ساخته می‌شوند.
- روش ریخته‌گری دقیق (Gravity Casting یا Die Casting) بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
وزن و حرکت
- پیستون‌های دیزلی به دلیل جرم بیشتر، ممکن است باعث لرزش بیشتر در موتور شوند و نیازمند میل‌لنگ قوی‌تر و بالانس بهتر هستند.
- پیستون‌های بنزینی سبک‌تر هستند که اجازه‌ی دور موتور بالاتر و عملکرد روان‌تر را می‌دهد.
سیستم خنک‌کاری
موتور دیزلی:
- به دلیل تولید گرمای بیشتر، برخی پیستون‌ها دارای کانال‌های روغن خنک‌کننده داخلی (Cooling Galleries) هستند که روغن از طریق نازل‌هایی به پشت تاج پیستون پاشیده می‌شود.
- ممکن است از آسترهای فولادی در تاج پیستون برای انتقال حرارت استفاده شود.
موتور بنزینی:
- سیستم خنک‌کاری ساده‌تر است و در بسیاری موارد فقط به خنک‌کاری با روغن از طریق دیواره سیلندر اکتفا می‌شود.
طراحی رینگ‌ها و شیارها
- موتور دیزلی: معمولاً دارای ۳ تا ۴ رینگ است؛ شامل ۲ رینگ فشار و یک یا دو رینگ روغن. قطر شیارها و ضخامت رینگ‌ها بیشتر است.
- موتور بنزینی: معمولاً دارای ۳ رینگ است؛ شامل ۲ رینگ فشاری (compression rings) و ۱ رینگ روغنی (oil control ring) با ضخامت کمتر.
دلیل تفاوت:
- در موتور دیزلی، کنترل نشت گازهای پرفشار و دمای بالا اهمیت بیشتری دارد.
- در موتور بنزینی، کاهش اصطکاک و افزایش سرعت موتور مهم‌تر است.
نسبت تراکم و اثر آن بر طراحی
- نسبت تراکم موتور دیزلی: بین ۱۴:۱ تا ۲۳:۱ → پیستون با تاج بلندتر و ضخیم‌تر برای تحمل فشار بالا.
- نسبت تراکم موتور بنزینی: بین ۸:۱ تا ۱۲:۱ → پیستون کوتاه‌تر و با ساختار سبک‌تر.
پیامدهای مهندسی در انتخاب طراحی پیستون
طراحی پیستون در موتورهای دیزلی و بنزینی نه‌تنها از نظر شکل و اندازه بلکه از نظر مواد، روش تولید، قابلیت خنک‌کاری و مقاومت در برابر فشار و دما تفاوت‌های اساسی دارد. این تفاوت‌ها به‌طور مستقیم با ماهیت عملکردی این دو نوع موتور مرتبط است. در طراحی موتورهای دیزلی، تمرکز بر دوام، مقاومت و تحمل فشار است، در حالی‌که در موتورهای بنزینی، سبکی، کارایی و دور بالا از اهمیت بیشتری برخوردارند. درک صحیح از این تفاوت‌ها، کلید طراحی موتورهایی با عملکرد بهینه و عمر طولانی‌تر است.
