موتور هاى نيم ديزل با سوخت سنگين در دسته موتورهاى احتراق داخلى قرار دارند كه در آن ها سوخت در نتيجه تماس با فلز گرم و سرخ شده پس از اكسيژن گيري در داخل موتور محترق مي شود. بسيارى از اين گونه موتورها به صورت تك سيلندر، كم سرعت و با دو نوع محرك هندلى و الكترو موتور استارت توليد شده اند.
تاريخچه:
مفهوم اين موتورها اولين بار توسط هيرپت آكرويد استوارت در پايان قرن 19 مطرح شد. اولين نمونه آزمايشى در سال 1886 ساخته شد ولى توليد آن از سال 1891 توسط ريچارد هورن اسباى و پسران درانگلستان تحت عنوان patent oil engine Hornsby akroyedساخته شده . اين موتور ها بعدها در امريكا توسط دو مهاجر آلمانى به نام هاى weiss و mietz توسعه پيدا كرد. اين طرح توسط joseph day با تركيب اين موتور با موتور دو زمانه تكميل شد. موتورهاى مشابهى براى كشاورزى، كشتيرانى و ماهى گيرى توسط bolinderو كارخانه موتور phthagorasسوئد ساخته شد.
bolinder هم اكنون قسمتى از گروه Volvo است . موتور نيم ديزل هورنسباى – آكرويد اساسا به صورت سيلندر افقى و چهار زمانه طراحى شده بود.اين موتور ويژه با روغن هاى معمولى نيز سازگار بود، موتور روغن سنگين akroyed – start در مقايسه از لحاظ احتراق به طور كلى با موتور ديزل ساخت رودلف كه موتور مشهورى از نظر احتراق بود ،متفاوت است . در اين موتور سوخت فقط داخل سيلندر تزريق مى شد و بعد از اتمام آن ديگر تزريقى صورت نمى گرفت . موتور نيم ديزل داراى نسبت تراكم سه به يك است در حالى كه موتور ديزل معمولى داراى نسبت تراكمي بين 15:1 تا 25:1 است. ضمنا سوخت مانند موتورهاي ( (OTTO در طول مرحله مكش تزريق مى شود و نه درانتهاى سيكل تراكم .
سيكل كاري
موتور نيم ديزل تقريبا نقش اصلى خود را با مشاركت تمامى قسمت هاى داخلى موتور،يعنى قسمتى كه داخل آن پيستون قرار دارد و ازطريق شاتون با ميل لنگ ارتباط دارد، انجام مى دهد. موتور ساخته شده توسط اكرويد استارت به صورت چهار زمانه يعنى مكش – تراكم – انفجار و تخليه – عمل مى كند و Hornsby ساختن اين گونه موتورها را ادامه داد.
سازندگان ديگري از كشورهاي بريتانيا، امريكاو اسكانديناوي مانند blackstone , crossly همزمان كار توليد اين گونه موتورها را انجام مي دادند.
در موتورهاي چهار زمانه جريان گازها به داخل موتور توسط سوپاپ هايى كنترل مى شد ولي در موتورهاى دو زمانه توسط مجاري داخل ديواره هاي سيلندر. براى شروع به كار موتور نيم ديزل از چراغ كوره اي براي گرم كردن محفظه احتراق قبلي استفاده مي شد. ولي درموتور تراكتورها به جاي آن سيستم Lanz bulldogبه كار رفته بود. در موتورهاى نيم ديزل احتراق در اتاقك جدا گانه اى صورت مى گيرد و تبخير كننده معمولا در سر سيلندر نصب مى شود. ارتباط اين اتاقك با سيلندر از طريق مجراي باريكى صورت مى گيرد كه توسط مايع خنك كننده موتور و يا گازهاى خروجى گرم مى شود. با استفاده از يك سيستم كمكي به نام گرمكن كوره اي موتور روشن مى شود ولي درحال حاضر از شمع هاي گرمكن الكتريكى استفاده مي شود. زمان پيش گرم به طراحى موتور، مقدار حرارت مورد استفاده و محدوده دمايى بستگى دارد اما معمولا بين دو تا پنج دقيقه دردماي محيط به طول مى انجامد. در هواى سرد براي موتورهاى بزرگ نيم ساعت زمان لازم است سپس موتور توسط هندل ياالكترو موتور روشن مى شود. زمانى كه موتور كار مى كند گرماى تراكم و احتراق، دماي اتاق احتراق قبلي را در حد لازم حفظ مى كند و شمع گرمكن يا ديگر منابع گرمايى را مى توان خاموش كرد.از اين زمان به بعد موتور به هيچ گرماى خارجى نياز ندارد و تنها به هوا، سوخت و روغن روان كارى براى به كار انداختن موتور نياز دارد.با اين حال اتاق احتراق قبلي در زمان ورود هواي تازه سرد شده و حرارت خود را به صورت پيش گرما به هواي ورودي مي دهد.زمانى كه بار موتور افزايش يابد دماى فضاي كروي شكل افزايش يافته و سبب مى شود تا تاخير احتراق كاهش يابدوباعث مي شود زمان پيش احتراق حذف شود. اين حقيقت كه موتورهاي نيم ديزل را مى توان براى مدت طولانى بدون استفاده و نگهداري زياد رها كرد، سبب شده اين موتورها انتخاب شايسته اى براى محرك تيلرها ،ژنراتورها،پمپ ها و نيروى رانش قايق كه به نيروى بازده ثابتى نياز دارد ،باشد.
مصارف :
در سال 1939 لنز بولدج كارخانه تراكتورسازى را با موتور نيم ديزل راه اندازي كرد. در حالى كه اين موتورها مى توانستند براى پمپ كردن، منبع قدرت در آسياب ، خرمن كوبى، كاشت يا اره كنى باشند براى تراكتور و ماشين هاى راه سازى به كار رفتند. علاوه براين كه اين موتورها بسيار قابل اعتماد بودند، مي توانستند با سوخت هاي مختلف چندين ساعت يا چندين روز در جا كار كنند.اين ويژگى برتر سبب شده به طور خاصى در موارد كشاورزى ، جنگل بانى و كارهاى دريايى مورد استفاده قرار گيرند.
ساير تراكتورهايى كه در آن ها از موتورهاى نيم ديزل ، استفاده شده از قبيل بوبا ، گامبينو ، لندين اُرس در ايتاليا است .موتور تراكتور لنزبولدج 1128 مستقيما در بالاى محور جلو نصب شده است .
در آغاز قرن بيستم چند صد كارگاه توليد كننده تجهيزات دريايى در اروپا از موتور نيم ديزل استفاده مى كردند. تنها در سوئد بيش از 70 كارگاه وجود داشت كه برجسته ترين آن ها بيلندرات از آن موتورها استفاده مى كرد. (در سال 1920 حدود80 درصد بازار جهان را در دست داشت). SABBنروژ موتور نيم ديزل را براى قايق هاى كوچك ماهى گيرى به كار برد كه هنوز هم كاربرد دارند. طبق استاندارد امريكا ،شركت هاى وبر ، رايد ، استكين ، اُيل سيتى و فاير بنكس مورس موتورهاى نيم ديزل مى سازند . موتور هاى نيم ديزل با كاربرد عمومي حداكثر 70 اسب بخار قدرت دارند و داراي سرعت ماكزيمم RPM 325هستند.
تنها محدوديت طراحى موتور در اين است كه داراي حجم بزرگي بوده و در فضاي كم جابه جا نمى شود. اين موتورها داراي سرعت پاييني حدود 50 R.P.M تا 300 بوده كه كاربرد موتور نيم ديزل را محدود ساخته است به طوري كه نمي توان از آن به عنوان يك وسيله نقليه استفاده كرد. اين موتورها بيشتر در تراكتور كه سرعت زياد مهم نيست،كاربرد دارند. اين محدوديت موتور را به انجام كارهاى ايستايى ملزم مى كند به هر حال موتور نيم ديزل معروفيت زيادي دارد. در مصارفي مانند موتور ژنراتورها معمولا دينام يا جايگزين ها به وسيله شاسى پهن چرخ دار از محلى به محل ديگر انتقال داده مى شود تا با سرعت زيادى جابه جا شوند. كارخانه هايى از قبيل آرمستدانق و پس وُرث و بولتون پال ژنراتورهايى يكپارچه اي كه هم موتور بوده و هم ژنراتور را بين سال هاى 1900 تا اواخر 1920 توليد كردند. اين دوره مصادف بود با جايگزينى موتور نيم ديزل با موتور ديزلى كه باعث تقاضاى زياد شد. اين موتورها بيشتر در محل هايى كه سوخت ماشين بخار نبوده يا احتمال آتش سوزى وجود داشت، به كار مي رفتند. آكرويد استوارت، اولين كسى بود كه لكوموتيو با موتور نفتى را براى شهر رويال آرسنال در منطقه وول ويچ جايى كه قبلا استفاده از لكوموتيو خطرناك و غير ممكن بود ،كشف كرد . موتورهاى نيم ديزل ثابت كردند كه بسيار ساده هستند و براى مصارفي كه تاخير زماني مورد نياز براي گرم شدن مهم نيست، كاربرد دارد. قبل از قرن بيستم به علت اين كه موتور نيم ديزل زمان زيادى را براى گرم شدن نياز داشت ، اين موتور براى كسانى مفيد بود كه مى خواستند زمان زيادى را از آن استفاده كنند و در اين صورت فرايند پيش گرمايى تنها در صد كمى از كل زمان استفاده از موتور را مى گرفت.اين كاربرد شامل استفاده در كارهاى دريايى ، پمپاژ وتخليه فاضلاب ها بود. موتور نيم ديزل همزمان با كشف سيستم دينام و الكتريسيته متولد شد و توليد الكتريسيته يكى ازكارهاى اصلى موتورها شد.
اين موتور قادر بود با سرعت بالا بيشتر از ماشين بخار(گرچه ماشين بخار با سرعت بالا در سال 1890 كشف شد ) راندمان داشته باشد و مصرف سوخت كم و كارايي بالا باعث شد تا موتور نيم ديزل در زمينه هاى جزئى هم به كار گرفته شود. براي مثال ژنراتورهايي با موتور نيم ديزل در خانه هاى بزرگ به تعداد زياد جهت توليد الكتريسيته به كار گرفته شد. مخصوصا در مناطق روستايى در اروپا و همچنين در كارخانه ها ، تئاتر ها ، خانه هاى پرنور ، ايستگاه هاى راديو و ساير مكان هاي كه نياز به توليد الكتريسيته بود.
افزايش نسبت تراكم :
هربت آكرويد استوارت مشتاق بود تا شايستگى هاى موتور خودش را ثابت كند . راه بهتر براى اين كار اين بود كه مقدار تراكم را براى بالا بردن دماى موتور افزايش دهد . به هر حال حداكثر ميزان تركيب سوخت و هوا بايد حدود هشت به يك باشد تا پيش اشتعال به وجود نيامده و به موتور آسيب وارد نشود. با همكارى مهندسان در هارنس باى، آكرويد استوارت سيستم را پيشرفته تر كرد و ميزان تراكم را 18 به يك افزايش داد. سوخت دقيقا زمانى كه پيستون به حداكثر تراكم مى رسد تزريق مى شود، بنابرين از پيش احتراق جلوگيرى مى شود .اين سيستم در اكتبر 1890 توليد شد و تا سال 1892 ادامه يافت.
جايگزينى موتورهاي ديزل
حدودا از سال 1910 موتور هاى ديزل به طور قابل ملاحظه اي در قدرت و توانايي از موتورهاي نيم ديزل پيشي گرفتند. راندمان بالاتر موتورهاى ديزل نسبت به نيم ديزل (تقريبا حدود 50 درصد) نسبت به ابعاد واندازه باعث توليد قدرت بيشتر مي شد چون موتور ديزل در زمان استارت سرد نياز به پيش گرما نداشته و داراي روش اشتعال متفاوت و قدرت وزني بالاتري بود نسبت به موتور نيم ديزل برتري يافت.براى اين كه موتور نيم ديزل در كشتى يا لكوموتيو به عنوان مولد قدرت باشد هم بزرگ بود و هم سنگين كه اين مساله به عنوان يك نقيصه به حساب مي آمد. موتور هاى نيم ديزل در مقايسه با موتور هاى ديزل داراي محفظه تراكم كوچك تري هستند، بنابراين قدرت و سرعت خروجى اشان كمتر است. اكثر موتور هاى نيم ديزل حداكثر سرعتشان rpm 100 است كه اين يك محدوديت محسوب مي شود، در حالى كه موتور ديزلى كه ماكزيمم سرعتي معادل 2000 rpm داشت در سال 1930 ساخته شد.موتور هاى ديزل مى توانستند دامنه سرعت وسيع وبالايى داشته باشند. اين ويژگى موتور هاى سايز متوسط باعث شد تا در ژنراتور ها مورد استفاده قرار گيرند.توسعه موتورهاى ديزلى كم حجم و پر سرعت در سال هاى 1930 و 1940 به صورت چشمگيرى موجب بى توجهى به موتورهاى نيم ديزل شد.
آخرين توليد كننده انبوه موتورهاى نيم ديزل توليد خود را در سال 1950 متوقف كرد و در حال حاضر به جز مناطق دور دست كشورهاى در حال توسعه ، اين موتورها از نقطه نظر استفاده بازرگانى و تجارى منقرض شده اند . در اين مورد يك استثناء وجود دارد و آن هم مربوط به استفاده دريايى است . در اروپا لنج هاى درون مرزى و قايق هاى كوچك به صورت گسترده اى به موتورهاى نيم ديزل مجهر مى شدند . با توجه به اين كه اين موتورها به طور كلى طول عمر زيادى داشته و به طور ايده آل براى چنين استفاده اى مناسب بودند امروزه پيدا كردن كشتى هايى با موتور هاى اورجينال غير عادى نيستند.
با ناديده گرفتن تفاوت هاى مسلم ( گرمايش الكتريكى آغازين ، سوخت مصرفى متفاوت و دور موتور بالا) حداقل در مدل هاى كوچك، مى توان موتورهاى مدرن را به عنوان آخرين نمود موتورهاى احتراقى به حساب آورد . توسعه موتورهاى نيم ديزل 1910-1890 با موتورهاي ديزل اغلب به خاطر شباهت زيادى كه به هم دارند ، با يكديگر اشتباه گرفته مى شوند. سوخت يك موتور نيم ديزل به حالت بخار يا پودرى ( از لحاظ مصرف سوخت ) كار مى كند در صورتى كه موتورهاى ديزلى اين چنين نيستند .
تفاوت هاى مهم و اصلى:
- موتورهاى سرسرخ اغلب گرمايى را كه در فرايند بخار كردن يا پودر كردن باقى مى ماند ، دوباره براى آتش زدن سوخت استفاده مى كند كه به راندمانى معادل 12 درصد مى رسد. موتورهاى ديزلى فقط از روش تراكم براى اشتعال سوخت استفاده مى كنند . اين موتورها در فشارهايى چندين برابر بالاتر از موتورهاى نيم ديزل عمل مى كنند و راندمانى معادل 35 درصد دارند .
- موتورهاى نيم ديزل 15 دقيقه قبل از شروع به كار يا استارت بايد توسط مشعل گرم شوند . همچنين تفاوت هاى قاطعى در زمان بندى فرآيند تزريق سوخت وجود دارد :
- قبل از سال 1910 در موتورهاى سرسرخ سوخت زودتر به داخل دستگاه پودر كننده تزريق مى شد . (در مرحله جذب يامكش ) اين باعث مى شد كه عمل سوختن با زاويه ميل لنگ هماهنگى نداشته باشد و در نتيجه موتور به آرامى در يك سرعت پايين يا نيروى كمترى كار كند . اگر ظرفيت موتور افزايش پيدا مى كرد حرارت ايجاد شده موجب سوختن سريع و زود هنگام سوخت مى شد . براى خنثى كردن اين عمل اضافه كردن آب به هواى جذب شده انعطاف پذيرى اندكى را فراهم مى كرد.
- در موتورهاى ديزلى سوخت با يك زمان بندى تنظيم شده با توجه به سرعت و ظرفيت موتور به داخل سيلندر تزريق مى شد و مرحله سوخت قبل از به اوج رسيدن مركز سكون انجام مى گيرد .
تفاوت هاى جزئى
- موتور نيم ديزل از يك پمپ فشار متوسط براى رساندن سوخت به سيلندر از طريق يك نازل ساده استفاده مى كند .
- در موتورهاى ديزل كامل، سوخت از طريق يك تزريق كننده پرفشار به داخل سيلندر پاشيده مى شود .در موتورهاى نيم ديزل سوخت با فشار پايينى به شكل مقرون به صرفه و قابل اطمينان تزريق مى شود. موتورهاى ديزلى با سرعت بالا در سال 1927 توليد شدند . از آن پس موتورهاى نيم ديزل شروع به توسعه كرده و رفته رفته جاى خود را به موتورهايى كه سيلندر آن ها توسط آب خنك مى شد، دادند . به مرور زمان نسبت تراكم زمان افزايش پيدا مى كرد به شكلى كه از1/3به1/4 رسيده بود. تزريق سوخت از 135 درجه قبل از آخرين نقطه سكون شروع شد و با تراكم بالا به 20درجه قبل از نقطه مرگ بالا رسيد و در نتيجه امروزه به عنوان موتورهاى ديزلى با تزريق غيرمستقيم شناخته مى شوند. توليد موتورهاى نيم ديزل يا محفظه دار هميشه آسان و قابل اطمينان بوده و نسبت به موتورهاى ديزلى با تزريق مستقيم مى تواند در موتورهاى كوچك با سوخت كم كاربرد داشته باشند.
