تصميم المحركات

تصميم المحرك – 2

تعرفنا في درس تصميم المحرك – 1 على العديد من عوامل تصميم محرك الاحتراق الداخلي مثل عرض الاسطوانة و المسافة بين TDC و BDC وحساب متوسط سرعة الاسطوانة ونظرة على بعض الارقام لتصاميم المحركات المختلفة. في هذا الدرس نكمل اساسيات مهمة في تصميم محركات الاحتراق الداخلي. ان قيم عرض الاسطوانة B في العادة تتراوح بين 0.5 سم الى 0.5 متر والتي تكافئ 0.2-20 انش , ويجب ان تكون ملم في عامل من العوامل التصميم وهو مهم للغاية يسمى نسبة عرض الاسطوانة الى قيمة المسافة بين TDC و BDC  والتي نرمز لها S – كبيرة. وبالرموز B/S تكون هذا النسبة في المحركات الصغيرة ما بين 0.8 الى 1.2 (ليس لها وحدة فيزيايئة لانها نسبة) ولكن هنالك 3 خيارات للمحركات اعتمادا على نسبة B/S وهي كالتالي:

  1. الخيار الأول عندما ان تكون B=S في هذه الحالة نسمي المحرك, محرك مربع وباللغة الانجليزية Square engine.
  2. الخيار الثاني عندما تكون قيمة S اكبر من قطر عرض الاسطوانة B  ونسمي المحرك في هذه الحالة Under square.
  3. الحالة الثالثة عندما تكون قيمة B اكبر من S  ونسمي المحرك في هذه الحالة Over square.

في المحركات الكبيرة غالبا تكون الحالة الثانية (Under square) بحيث من الممكن ان يكون ال S اكبر من B باربعة اضعاف. مكان تموضع المكبس والذي نسميه piston position والتي نرمز لها s صغيرة هو المسافة بين محور الكرانك شافت ومحور المكبس (يرتبط بواسطة pin) يتم ايجاذ هذه المسافة باستخدام المعادلة التالية:

تصميم-المحرك
piston position

علمًا ان الرموز في المعادلة اعلاه قمنا بدراستها في الدرس الاول من تصميم المحرك وهي كالتالي: 

crank offsetنصف قطر الكرانك شافتa
connecting rod lengthطول ذراع التوصيلr
crank angle زاوية الكرانك θ

ان زاوية الكرانك θ يتم قياسها من منتصف الاسطوانة مع الاسطوانة عندما تكون في TDC الرجاء الرجوع الى الدرس السابق (تصميم المحرك – 1) لرؤيتها على الرسمة لمزيدًا من الفهم. حسنًا يجب ان تدرك ايضا اننا في حسابات المحركات الميكانيكية نستخدم معادلات تصف لنا حركة واداء المحرك في زمن دقيق من الثواني واجزاء الثواني. لذلك لحساب سرعة الاسطوانة اللحظية Up instantaneous piston speed سوف نقوم باشتقاق مكان تموضع المكبس piston position بالنسبة للوقت كالتالي:

Up=ds/dt

لا تقلق من هذه المعادلة سوف نقوم بتزويدكم في المعادلات لاستخدامها بشكل مباشر دون الحاجة الى عمليات رياضية مثل الاشتقاق التكامل وما الى ذلك. ويمكننا حساب النسبة بين سرعة الاسطوانة اللحظية الى متوسط سرعة الاسطوانة باستخدام المعادلة التالية:

وكما تلاحظ من المعادلة اعلاه لقد ادخلنا رمز جديد وهو R والذي يمثل النسبة بين طول ذراع التوصيل r الى نصف قطر الكرانك شافت a كما في المعادلة التالية R = r/a بحيث تتراوح قيم R من 3-4 للمحركات الصغيرة وتصل الى 5-10 للمحركات الكبيرة.

المنحنى التالي يبين كيف تؤثر قيمة R على العلاقة بين النسبة بين سرعة الاسطوانة اللحظية الى متوسط سرعة الاسطوانة Up/Up مع زاوية الكرانك θ.

displacement volume ونرمز لها Vd واحيانا تسمى swept volume وهي حجم الاسطوانة عندما يتحرك المكبس من BDC الى TDC ونقوم في حسابها كالتالي: 

Vd = VBDC-VTDC

والمعادلة الاساسية لحساب Vd لاسطوانة واحدة هي:

اما اذا كان المحرك يعمل باكثر من اسطوانة فسوف نضيف Nc والتي تعني عدد الاسطوانات Number of cylinders لتصبح المعادلة بهذا الترتيب: 

تذكر ان B هي عرض الاسطوانة و S هي المسافة بين TDC و BDC و Nc كما قلنا تعني عدد الاسطوانات Number of cylinders. ان ال displacement volume يمكن ان تعطها بوحدات مختلفة مثل لتر L وهي الاكثر شيوعا فكثيرًا نسمع ان هذا المحرك حجم المحرك 1.6 او 2 لتر مثلًا , وايضا المتر المكعب والسنتم المكعب والانش المكعب كما يلي:

بشكل عام تتراوح قيمة ال displacement volume من 0.1 سم مكعب والتي تكافئ 0.0061 انش مكعب لمحركات الطائرات الصغيرة مثل الطائرات الشراعية وطائرات التدريب الى 8 لتر والتي تكافئ 490 انش مكعب للسيارات الكبيرة مثل الشاحنات والسيارات المتوسطة اما قيم ال displacement volume الكبيرة عادة تكون لمحركات السفن والقطارات ولكن بشكل عام للسيارات الحديثة المتوسطة والاقتصادية والعملية في الاستخدام اليومي تتراوح قيمة ال displacement volume للمحرك ما بين 1.5 الى 2.5 لتر. هذا كله بفضل التكنولوجية  والانظمة الحديثة التي جعلت الحياة اسهل ففي عام 1908 كانت سيارة السباق كريستي بمحرك رباعي الاسطوانات وبمحرك حجمه 64 لتر! , تخيل كمية استهلاك الوقود والانبعاثات التي تنتجها هذه السيارة آنذاك.

في تصميم المحركات ان تصميم المحرك بحيث يكون ال Stroke اكبر من قطر الاسطوانة Bore مثل الخيار الثاني في تصميم المحركات حسب نسبة B/S هذا يجعل مساحة سطح حجرة الاحتراق صغيرة  ويقلل من فقد الحرارة ويرفع من الكفاءة الحرارية واضافة الى ذلك هذا التصميم يجعل المكبس يتحرك بسرعة كبيرة ولكن يرفع من الفقد بسبب الاحتكاك مما يقلل قوة Power المحرك. بينما تصميم المحرك المربع Square engine وهو النوع الاول من تصنيف المحركات حسب نسبة B/S بحيث يكون ال Stroke مساويًا لقطر الاسطوانة Bore يتميز هذا النوع بانه يقلل من الاحتكاك ولكنه يزيد من الفقد بسبب انتقال الحرارة. وبشكل عام معظم محركات السيارات قريبة للمحركات المربعة التي يكون فيها B=S ولكن احيانا يكون ال S اكبر قليلا من B. كل هذه التفاصيل تعتمد على التصميم الكلي وتقنيات المصنعين. والمحركات الكبيرة لها نسبة S الى B تصل الى 1:4. 

دعونا الآن ننتقل الى جزئية مهمة في حجم المحركات وهي ان اقل حجم في اسطوانة المحرك تحدث عندما يكون المكبس في منطقة TDC وهذا الحجم هو الذي يسمى ب clearance volume ونرمز له Vc. اذًا يمكننا القول ان VC = VTDC ومع المعادلة Vd = VBDC-VTDC نتوصل اخيرًا ال المعادلة التالية:

VBDC = Vc + Vd

عزيزي المتعلم نحن دائما نقوم بطرح الارقام والامثلة على محركات كانت وما زالت تستخدم وذلك حتى تستطيع تقدير الارقام الصحيحة في حسابات المحرك بعض نماذج محركات الطائرات الصغيرة والقوارب تكون محركاتها قيمة ال displacement volume تقريبا 0.075 سم مكعب ملاحظة عندما تسمع جملة ان هذا المحرك حجمه 1000 سي سي , هنا المقصود ب سي سي الوحدة سم مكعب. عموما لنكمل حديثنا عن محركات الطائرات الصغيرة والقوارب ومعظم هذه المحركات يكون عدد دوراتها في الدقيق مرتفع جدا يصل الى 38 الف دورة في الدقيقة اما عدد الاحصنة فيكون قليل نسبيًا 0.2 الى 2 حصان وسوف نفسر ذلك لاحقًا في درس طاقة وعزم المحرك وتتراوح متوسط سرعة المكبس كما درسنا من 5 الى 20 م/ث.


في الدرس الثالث من تصميم المحرك سوف ندرس نسبة الانضغاط والحجم الكلي للمحرك وتفاصيل جديدة مهمة في عملية تصميم محركات الاحتراق الداخلي ونبدأ في امثلة حسابية على كل ما درسناه سابقًا:


اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق