طاقة وكفاءة المحركات الترددية

يتم تصنيف جميع محركات الطائرات وفقًا لقدرتها على القيام بالعمل وإنتاج الطاقة، حيث يقدم هذا القسم شرحًا للعمل والقوة وكيفية حسابهما، بالإضافة للكفاءات المختلفة التي تحكم خرج الطاقة للمحرك الترددي.

الشغل

تعرف الفيزياء الشغل بأنه القوة مضروبة في المسافة، أي الشغل المبذول بواسطة قوة تؤثر على جسم يساوي مقدار القوة مضروبة في المسافة التي تؤثر خلالها القوة. المعادلة: W = f.d، حيث أن f=force، أي القوة و d=distance، أي المسافة، ويقاس الشغل بعدة معايير، الوحدة الأكثر شيوعًا تسمى (قدم.رطل)، هذا يعني أنه إذا تم رفع كتلة وزنها رطل واحد بارتفاع قدم واحدة، فسيتم تنفيذ (قدم.رطل) واحد من الشغل، وكلما زادت الكتلة أو زادت المسافة، زاد الشغل المنجز.

القدرة الحصانية

الوحدة المشتركة للقوة الميكانيكية هي القدرة الحصانية (حصان)، حيث أنه في أواخر القرن الثامن عشر اكتشف جيمس وات، الذي اخترع المحرك البخاري أن حصان العمل الإنجليزي يمكنه العمل بمعدل 550 (قدمًا.رطلًا) في الثانية أو (33000 قدمًا-رطلًا في الدقيقة)، لفترة زمنية معقولة ومن ملاحظاته جاءت وحدة القدرة الحصانية، وهي الوحدة القياسية للقوة الميكانيكية في نظام القياس الإنجليزي ولحساب تصنيف حصان محرك ما، يتم تقسّيم القدرة المطورة بوحدة (قدم.رطل) في الدقيقة على 33000 أو القدرة بوحدة (قدم،رطل) في الثانية على 550.

كما هو مذكور أعلاه، الشغل هو نتاج القوة والمسافة والقوة هي الشغل لكل وحدة زمنية، وبالتالي إذا تم رفع وزن 33000 رطل من خلال مسافة رأسية بمقدار قدم واحد في دقيقة واحدة، فإن الطاقة المستهلكة هي (33000 قدم، رطل في الدقيقة) أو 1 حصان بالضبط، ويتم تنفيذ الشغل ليس فقط عند استخدام قوة للرفع، حيث يمكن تطبيق القوة في أي اتجاه، إذا تم سحب وزن 100 رطل على الأرض، فلا يزال يتم تطبيق القوة لأداء الشغل، على الرغم من أن اتجاه الحركة الناتجة أفقي تقريبًا، حيث يعتمد مقدار هذه القوة على خشونة الأرض.

إذا تم إرفاق الوزن بمقياس زنبركي متدرج بالبوصة، ثم تم سحبه على مقبض المقياس، كما يمكن إيجاد مقدار القوة المطلوبة، حيث يتم افتراض أن القوة المطلوبة 90 رطلاً وأن الوزن 100 رطل يتم جره 660 قدمًا في دقيقتين، ويكون مقدار الشغل المنجز في الدقيقتين هو 59400 (قدم.رطل) أو (29700 قدم.رطل في الدقيقة).

إزاحة المكبس

عندما تظل العوامل الأخرى متساوية، كلما زادت إزاحة المكبس، زادت القوة الحصانية القصوى التي يستطيع المحرك تطويرها عندما يتحرك المكبس من (BDC) إلى (TDC)، فإنه يزيح حجمًا معينًا يُعرف الحجم المزاح بواسطة المكبس بإزاحة المكبس، ويتم التعبير عنه بالبوصة المكعبة لمعظم المحركات الأمريكية الصنع.

ملاحظة: “TDC” اختصار لـ “Top Dead Centre”

ملاحظة: “BDC” اختصار لـ “Bottom Dead Centre”

ويمكن الحصول على إزاحة المكبس لأسطوانة واحدة بضرب مساحة المقطع العرضي للأسطوانة في المسافة الإجمالية التي يتحرك بها المكبس في الأسطوانة بضربة واحدة، وبالنسبة للمحركات متعددة الأسطوانات، يتم ضرب هذا المنتج في عدد الأسطوانات للحصول على إجمالي إزاحة مكبس المحرك.

نظرًا لأن حجم (V) لأسطوانة هندسية يساوي مساحة القاعدة مضروبة في الارتفاع (h)، يتم التعبير عنها رياضيًا على النحو التالي: V=A*h، ومساحة القاعدة هي مساحة المقطع العرضي للأسطوانة.

نسبة الضغط للمحرك

يجب على كل محركات الاحتراق الداخلي ضغط خليط الوقود والهواء لأخذ قدر محتمل من الشغل من كل شوط كهربائي، حيث يمكن مقارنة شحنة الوقود والهواء في الأسطوانة بنابض لولبي من حيث أنه كلما زاد ضغطه، زاد العمل المتوقع الذي يمكن أن يفعله.

تعتبر نسبة ضغط المحرك هي المفاضلة بين حجم المساحة في الأسطوانة عندما يكون المكبس في الجزء السفلي من الجولة إلى حجم الفراغ عندما يكون المكبس في الجزء الأعلى من الجولة، ويتم التعبير عن هذه المقارنة كنسبة ومن هنا جاء مصطلح نسبة الانضغاط، وتعتبر نسبة الضغط هي عامل تحكم في الحد الأعلى من القدرة الحصانية التي يقوم المحرك بتطويرها، ولكنها محددة بدرجات الوقود الحالية وسرعات المحرك العالية والضغط المتشعب المطلوب للإقلاع.

إذا كان هناك 140 بوصة مكعبة من المساحة في الأسطوانة عندما يصبح المكبس في الأسفل، وكان هناك مساحة 20 بوصة مكعبة عندما يكون المكبس أعلى الشوط، فإن نسبة الضغط تصبح 140 إلى 20، وإذا تم تمثيل هذه النسبة في شكل كسر ستكون (140/20) أو 7 إلى 1 وعادة ما يتم التعبير عنها على أنها (7:1).

القيود المفروضة على نسب الضغط

إن القيود المفروضة على نسب الضغط وتأثير الضغط المتشعب على ضغوط الانضغاط لها تأثير عالي على عمل المحرك، وضغط المنوع هو متوسط ​​الضغط المطلق للهواء أو شحنة الوقود والهواء في مشعب السحب ويقاس بوحدات بوصة من الزئبق، حيث يعتمد ضغط المنوع على سرعة المحرك، أي تعيين دواسة الوقود ودرجة الشحن الفائق، كما يعمل تشغيل الشاحن التوربيني الفائق على ارتفاع وزن الشحنة التي تدخل إلى الأسطوانة، وعند استعمال شاحن فائق حقيقي مع محرك الطائرة، يكون الضغط المتشعب أعلى بكثير من ضغط الغلاف الجوي الخارجي، وهذا الذي يميز هذا الشرط، وهي أن كمية أكبر من الشحنة يتم سحبها إلى حجم أسطوانة معين وإنتاج أعلى من نتائج القدرة الحصانية.

ولتحديد نسبة الضغط المتشعب في ذلك الجزء من دورة التشغيل عند إغلاق كلا الصمامين، يتم تعيين ضغط الشحنة قبل الانضغاط بواسطة الضغط المتشعب، بينما يتم تعيين الضغط عند أعلى قيمة للضغط قبل الاشتعال مباشرة، بواسطة الضغط المتشعب مضروبًا في نسبة الضغط على سبيل المثال، إذا كان المحرك يعمل بضغط عديد (30Hg) مع نسبة ضغط (7:1)، فإن الضغط في اللحظة السابقة للاشتعال سيكون تقريبا (210Hg) ومع ذلك، عند ضغط متشعب (60Hg)، سيكون الضغط (420Hg).

إلى جانب ذلك فقد ثبت أن الانضغاط يزداد بتأثير تغيير الضغط المتعدد ويؤثر حجم كلاهما على ضغط شحنة الوقود قبل لحظة الاشتعال مباشرة، وإذا أصبح الضغط عالياً للغاية في هذا الوقت، يحدث اشتعال مسبق أو انفجار وينتج عنه سخونة زائدة والاشتعال المسبق، وهو عندما تبدأ شحنة الهواء والوقود بالاحتراق قبل أن تنطلق شمعة الإشعال ويحدث التفجير عندما يتم تشغيل شحنة هواء الوقود بواسطة شمعة الإشعال، ولكن عوضًا من الاحتراق بمعدل مسيطر عليه، فإنه ينفجر مما يتسبب في ارتفاع درجات حرارة الأسطوانة والضغط بسرعة عالية، وإذا استمر هذا الوضع لفترة طويلة جدًا، فقد يتلف المحرك.

أحد أسباب استخدام المحركات ذات نسب الضغط العالية هو الحصول على الاقتصاد في استهلاك الوقود على المدى الطويل، لتحويل المزيد من الطاقة الحرارية إلى عمل مفيد مقارنة بالمحركات ذات نسبة الضغط المنخفضة، ونظرًا لأن المزيد من حرارة الشحنة يتم تغييرها إلى شغل ذات فائدة، فإن جدران الأسطوانة تمتص حرارة أقل، حيث يعزز هذا العامل تشغيل المحرك الأكثر برودة، مما يؤدي بدوره إلى ارتفاع الكفاءة الحرارية مرة ثانية، هناك ضرورة إلى حل وسطي بين الطلب على الاقتصاد في استهلاك الوقود والطلب على الحد الأقصى من القدرة الحصانية دون تفجير، وتقوم بعض شركات التصنيع لمحركات الضغط المرتفع بقمع التفجير عند ضغوط مرتفعة متشعبة باستعمال وقود عالي الأوكتان والتقليل من أعلى ضغط متشعب.

شاهد أيضاً

عضد الجناح في الطائرات

الأجنحة هي المصدر الأساسي لرفع الطائرات ذات الأجنحة الثابتة، وفي قلب بنائها يوجد صاري جناح …