موتورهای دو زمانه چگونه کار می‌کنند؟

اگر بخواهیم دو نوع موتور خودروهای سواری و سنگین را کنار بگذاریم، نوع سومی وجود دارد که موتورهای دو زمانه نام دارد. اگرچه امروزه، موتور خودروهای سواری و سنگین تماماً چهار زمانه هستند، ولی در نوع سوخت مصرفی با هم تمایز دارند. موتورهای دو زمانه به واسطه قدرت کمتر آن در مقایسه با موتورهای یادشده، مخصوصاً وسایل نقلیه، ساده‌تر، کم‌هزینه‌تر، کوچک‌تر و چابک‌تر می‌باشد.

مفاهیم پایه:

از جمله کاربردهای موتورهای دو زمانه در اره‌های برقی و جت اسکی‌ها است که دارای سه مزیت مهم است که تمایز عمده‌ای با موتورهای چهار زمانه‌ایجاد کرده است:

• موتورهای دو زمانه از سوپاپ استفاده نمی‌کنند که موجب ساده‌تر شدن ساختار این‌گونه از موتورها و کمتر شدن وزنشان می‌شود.
• در موتورهای دو زمانه در هر بار چرخش میل‌لنگ، یک مرحله احتراق صورت می‌پذیرد. درحالی‌که در موتورهای چهار زمانه با هر دو بار چرخش میل‌لنگ، یک مرحله احتراق صورت می‌گیرد. این پدیده خود باعث افزایش توان به شکل چشم‌گیری می‌شود.
• موتورهای دو زمانه می‌توانند در هر جهتی کار کنند که برای وسایلی نظیر اره‌برقی بسیار کارآمد خواهد بود. موتورهای چهار زمانه استاندارد ممکن است به واسطه جریان روغن که در آن‌ها قرار دارد، تا زمانی که در جهت مناسب قرار نگیرند، به‌درستی کار نکنند.

این مزایای اشاره شده موجب می‌شود موتورهای دو زمانه سبک‌تر، ساده‌تر و ارزان‌قیمت‌تر شوند. موتورهای دو زمانه به واسطه داشتن مرحله احتراق در هر دور، توانی دو برابر موتورهای چهار زمانه با حجم برابر تولید می‌کنند. ترکیب وزن پایین و قدرت دو برابری موتورهای دو زمانه باعث شده که نسبت توان به وزن در این‌گونه موتورها نسبت به اغلب موتورهای چهار زمانه بیشترین مقدار باشد.
معمولاً موتورهای دو زمانه را نمی‌توانید در خودروها جستجو کنید. چون موتورهای دو زمانه دو عیب اساسی مهم دارند که در ادامه به آن اشاره می‌شود.

سیکل موتورهای دو زمانه:

انیمیشن زیر نحوه کار موتور دو زمانه را نشان می‌دهد. تفاوت عمده این موتور با موتورهای چهار زمانه‌این است که مرحله جرقه که منجر به احتراق می‌شود در هر بار چرخش اتفاق می‌افتد.

همچنین در شکل مقطع برشی موتور دو زمانه‌ای را مشاهده می‌کنید که جریان سیال در آن نشان داده شده است. همان‌طور که می‌بینید موتورهای دو زمانه کمی غیرهوشمندانه طراحی شده است چون مراحل سیکل دارای همپوشانی هستند.

مرحله جرقه:

خب از مرحله زدن اشتعال شروع می‌کنیم. سوخت و هوا در سیلندر با هم متراکم می‌شوند و هنگامی که جرقه زده می‌شود مخلوط پیش رو مشتعل می‌شود. نتیجه حاصل انفجاری است که پیستون را به پایین حرکت می‌دهد. به یاد داشته باشید که در خلال اینکه پیستون پایین می‌رود مخلوط سوخت-هوا به سمت محفظه میل‌لنگ (یا پوسته موتور) مکیده می‌شود. به‌محض اینکه پیستون به پایین‌ترین نقطه مرگ خود برسد، راه گاه تخلیه باز می‌شود. فشار موجود در سیلندر موجب می‌شود تا اکثر گازهای حاصل از احتراق به سمت بیرون از سیلندر روانه شوند.

مرحله مکش (ورود سوخت-هوا):

هنگامی که پیستون از پایین‌ترین نقطه سیلندر شروع به حرکت به سمت بالا می‌کند، راه گاه ورودی باز می‌شود. حرکت پیستون موجب فشرده کردن مخلوط در محفظه میل‌لنگ می‌شود بنابراین درون سیلندر ذرات به هم نزدیک‌تر می‌شوند. همان‌طور که در شکل مشاهده می‌کنید در این مرحله گازهای خروجی (گازهای حاصل از احتراق) از سیلندر خارج می‌شوند در عین حال مخلوط تازه سوخت-هوا وارد می‌شوند. به یاد داشته باشید که در طراحی مسیر جریان سیال موتورهای دو زمانه، پیستون به گونه شکل‌گیری (طراحی) شده است که مخلوط سوخت-هوا به‌راحتی در قسمت بالای پیستون در محفظه خروجی جریان پیدا نمی‌کند.

مرحله تراکم:

اکنون به علت مومنتوم موجود در میل‌لنگ، پیستون به سر جای اول خود (جایی که برای مرحله جرقه‌زنی آماده شود) برمی‌گردد که مرحله تراکم شکل گیرد. هنگامی مخلوط هوا-سوخت در پیستون متراکم شدند، مکش (ایجاد خلأ) در محفظه میل‌لنگ به وجود می‌آید. این مکش Reed Valve را باز می‌کند و موجب مکیده شدن هوا-سوخت-روغن از کاربراتور می‌شود. Reed Valve شیرى متشکل از ورقه فولادى نازکى که جریان یک‌طرفه سیال را سبب می‌شود.
هنگامی که پیستون به مرحله مرگ بالا می‌رسد، مرحله جرقه انجام می‌شود و چرخه مکرراً تکرار می‌شود. در موتورهای چهار زمانه مراحل مکش، تراکم، احتراق و تخلیه به‌طور مجزا صورت می‌پذیرد.

شما می‌توانید ببینید که پیستون سه عملیات متفاوت در موتورهای دو زمانه انجام می‌دهد:

• یک طرف پیستون محفظه احتراق وجود دارد که مخلوط سوخت-هوا را متراکم می‌کند و به واسطه انفجار مخلوط موجود، انرژی رها می‌شود.
• از طرف دیگر پیستون در محفظه میل‌لنگ قرار دارد که در آن پیستون مخلوط را از کاربراتور می‌مکد و از Reed valve از مخلوط می‌گذرد و به دلیل فشار موجود در سیلندر مخلوط به سمت داخل محفظه احتراق روانه می‌شود (در واقع به دلیل اختلاف فشار است)
• در همین حین قسمتی از پیستون به مانند سوپاپ عمل می‌کند، راه گاه‌های خروجی و ورودی را باز و بسته می‌کند.

همان‌طور که مشاهده فرمودید پیستون در موتور دو زمانه خیلی کارها انجام می‌دهد که موجب می‌شود این دسته از موتورهای ساده و سبک‌وزن باشند.
اگر تا به حال از موتورهای دو زمانه در وسایل خود استفاده کرده باشید، حتماً می‌دانید که روغن موتورهای دو زمانه را باید همراه با سوخت بنزین با هم در باک بریزید. در موتورهای چهار زمانه محفظه میل‌لنگ (کارتر) کاملاً از محفظه احتراق جدا می‌باشد. بنابراین شما می‌توانید محفظه میل‌لنگ را با روغن غلیظ پر کنید تا یاتاقان‌های میل‌لنگ روانکاری شوند. یاتاقان‌ها پیستون را به میله Rod وصل می‌کنند و روغن موجود دیواره سیلندر را هم روانکاری می‌کند. در موتورهای دو زمانه محفظه میل‌لنگ خود تحت فشار قرار دارد تا مخلوط هوا-سوخت به سمت سیلندر وارد شوند بنابراین روغن غلظت زیادی نمی‌تواند داشته باشد. در عوض شما روغن را به همراه بنزین وارد باک می‌کنید تا میل‌لنگ دیواره سیلندر و میله متصل کننده (Rod) روانکاری شوند. اگر شما فراموش کنید روغن را وارد نمایید، موتور دو زمانه شما یقیناً عمر بسیار طولانی نخواهد داشت.

معایب موتورهای دو زمانه

موتورهای دو زمانه دو عیب بسیار بزرگ نسبت به موتورهای چهار زمانه دارند. موتورهای دو زمانه همان‌طور که قبلاً هم اشاره شد ساده‌تر و سبک هستند در ضمن توان دو برابری نسبت به موتورهای چهار زمانه با حجم برابر تولید می‌کنند، پس سؤال اصلی اینجاست که چرا در خودروهای سنگین و سواری از موتورهای دو زمانه استفاده نمی‌کنند؟
جواب سؤال فوق در چهار نکته زیر می‌توان خلاصه کرد:

• موتورهای دو زمانه عمری کوتاه‌تر از موتورهای چهار زمانه دارد. نبود وجود سیستم روانکار مستقل بدان معنی است که سایش در موتورهای دو زمانه بیشتر است.
• روغن‌های موتورهای دو زمانه گران‌قیمت هستند و نزدیک به ۴ انس برای هر گالن بنزین نیاز است. در صورتی که از موتورهای دو زمانه برای خودرو استفاده کنید، برای هر ۱۶۰۰ کیلومتر نیازمند یک گالن روغن هستید.
• موتورهای دو زمانه از سوخت به صورت کارآمد استفاده نمی‌کنند. بنابراین مصرف سوخت شما در هر صد کیلومتر بالاتر خواهد بود.
• موتورهای دو زمانه آلایندگی بالایی دارند. این آلایندگی ناشی از دو علت است. اولین مورد، احتراق روغن است. روغن موجود در باک باعث می‌شود، موتورهای دو زمانه بسیار دودزا باشند. همچنین سایش بسیار زیاد موتورهای دو زمانه می‌تواند ابر بزرگی از دود روغنی شکل ساتع کند. دلیل دوم خیلی تأثیرگذار نیست. همچنین جدا نبودن سیکل تخلیه از ورود سوخت، باعث می‌شود مقداری از سوخت همراه با دود خروجی به صورت استفاده نشده و خام خارج گردد.
• هر زمان که تغییری در مخلوط سوخت-هوا داخل محفظه احتراق ایجاد شود، قسمتی از آن از راه گاه تخلیه بیرون درز می‌کند. این دلیلی است بر اینکه در اطراف اکثر موتورهای دو زمانه موجود در قایق همواره روغنی شکل است. این نشت روغن از سوخت می‌تواند محیط اطراف را کثیف کند.

معایب فوق بدان معناست که موتورهای دو زمانه در مواردی مانند دستگاه‌های چمن‌زن خانگی و موتورهای برق پرتابل کاربرد دارد که خیلی مورد استفاده روزانه نیستند.