تصميم المحركات

تصميم المحرك – 3

درسنا في الدرسين تصميم المحرك – 1 و تصميم المحرك – 2 العديد من العوامل المعتمدة في تصميم محركات الاحتراق والكثير من المعادلات المهمة التي تصمم جميع المحركات بناءا عليها. الآن سوف نكمل دراستنا لخصائص وعوامل التصميم المهمة سوف ندرس عامل مهم وهو نسبة الانضغاط compression ratio في المحركات للنوعين SI و CI يرمز لها rc ويتم حسابها باستخدام المعادلة التالية:

في محركات الاشتعال باستخدام البواجي – شمعة الاحتراق SI مثل محركات البنزين تترواح قيم نسبة الانضغاط من 8-11 بينما تتراوح قيم نسبة الانضغاط من 12-24 في محركات الانضغاط CI مثل محركات الديزيل. المحركات التي تستخدم انظمة ضغط الهواء الحديثة مثل السوبر تشارجر supercharged و لتيربو تشارجر turbocharged تستخدم rc اقل من المحركات التي تعتمد على دخول الهواء بشكل تلقائي naturally aspirated engines بسبب القيود الناتجة عن المواد المستخدمة, التكنولوجية وجودة الوقود. علمًا ان المحركات القديمة كانت تستخدم نسبة rc من 2-3. المخطط التالي يوضح لنا قيمة النسبة rc لمحركات SI وكيف ازدادت خلال السنين لتصبح بين 8-11.

خلال اول 40 سنة كانت المحركات الامريكية التي تعمل بالشعلة SI ازدادت من 2.5 ال 4.5 وكانت محدودة بسبب قلة الاوكتان octane المتوفر في الوقود آنذاك, اما في الفترة ما بين 1942-1945 المعلمة بالخطين باللون الأحمر اعلاه لن يكن في هذه الفترة انتاج وتطوير لمحركات السيارات بسبب الحرب العالمية الثانية تم تحويل خطوط الانتاج الى انتاج سيارات عسكرية. بعد ذلك في فترة الخمسينيات 1950 بدئت الاوضاع تتحسن وارتفعت نسبة rc بسبب ظهور السيارات القوية والتي نسميها في ايامنا هذه السيارات ذات العضلات مثل السيارات الامريكية السريعة والقوية جدا. ولكن في السبعينات 1970 اصبحت قوانين البيئة شديدة على مصنعي المحركات واصبح الوقود مرتفع الثمن مما ادى الى تراجع اداء التقنيات آنذاك , ولكن في فترة الثمانينات التسعينات 1980-1990 اصبح الوقود اكثر جودة وايضا حجرات الاحتراق الداخلي اصبحت اكثر تطورًا مما ساهم في رفع قيمة rc للمحركات. وهذه هي الاسباب على مرور 120 سنة التي تفسر التغيرات في المنحنى أعلاه. نحن اليوم نعيش في القرن الوحد والعشرين في نهاية العام 2019 سوف نشهد تطورات غير مسبوقة في العام 2020. والآن دعونا نكمل مرحل تصميم المحرك.

الآن سوف نقوم في دراسة معادلة ايجاد حجم الاسطوانة عند اي زاوية للكرانك شافت (العامود المرفقي) ويتم ايجادها باستخدام المعادلة التالية: 

كما درسنا سابقًا تمثل الرموز اعلاه ما يلي:

clearance volume Vc
Boreعرض الاسطوانة B
connecting rod length طول ذراع التوصيل r
piston position مكان تموضع المكبس s

اضافة الى ذلك يمكننا كتابة المعادلة اعلاه بطريقة نجلعها بدون وحدات فيزيائية non dimensional وذلك عن طريق قسمتها على Vc بحيث تصبح كالتالي:

تذكر ان R تساوي R=r/a. اما مساحة مقطع الاسطوانة ومساحة السطح للمكبس المسطح flat topped piston يتم ايجادها بالمعادلة البسيطة التالية:

واخيرًا سوف نتوصل الى معادلة حساب مساحة سطح حجرة الاحتراق والتي سوف تكون كالتالي:

حيث ان Ach هي مساحة سطح رأس الاسطوانة cylinder head surface area وهي تكون اكبر من Ap قليلًا. ويمكننا ترتيب المعادلة اعلاه بالشكل التالي وذلك تسهيلا للتعامل مع المعطيات:


مثال 

نريد تصميم محرك احتراق داخلي لسيارة متوسطة الحجم بحيث يكون الحجم الكلي للمحرك 3 لتر (لجميع الاسطوانات) وعدد اسطوانات المحرك 6 وعدد اشواط المحرك 4 اشوط , ونريد ان تكون سرعة المحرك 3600 دورة في الدقيقة وقيمة نسبة الانضغاط حسب المحركات الحديثة نريد ان نستخدم 9.5 وطول ذراع التوصيل على سبيل المثال سوف تكون 16.6 سم ونريد ان يكون تصنيف المحرك (مربع) اي square ونقصد هنا ان B=S علما ان الاحتراق ينتهي عند الزاوية aTDC 20.

 

انت الآن على وشك تصميم المحرك وايجاد التفاصيل الاخرى للمحرك بناءًا على المعلومات اعلاه ويجب ان تعلم انك تستطيع التغير في اي معلومة من المعلومات اعلاه فيمكنك مثلا زيادة ال RPM اي عدد الدورات في الدقيقة او تغيير طول ذراع التوصيل وما الى ذلك. ولكن سوف يكون اختيارك للمواصفات حسب الارقام التي درسناها في تصميم المحرك. وسوف تعتمد قيم المحرك حسب النتائج التي سوف نقوم بحسابها الآن وتقرر اذا كانت نتيجة المحرك تلائم استخدامك ام لا.

حسنًا دعونا نجري الحسابات التالية لايجاد ما يلي (حسب دراستنا للمعادلات) علمًا ان التفاصيل الاحقة كثيرة ومتشعبة ولكن هذا الاساس في عملية تصميم المحرك:

  1. عرض الاسطوانة B و المسافة بين TDC و BDC اي ال Stroke التي نرمز لها S – كبيرة.
  2. متوسط سرعة المكبس.
  3. ايجاد clearance volume للاسطوانة الواحدة.
  4. سرعة المكبس عند نهاية الاحتراق.
  5. مسافة المكبس عندما ينتقل من TDC الى نهاية الاحتراق.
  6. الحجم في حجرة الاحتراق عند نهاية الاحتراق.

طريقة حساب وتصميم المكونات اعلاه سوف تكون كالتالي: 

1 – لحساب عرض الاسطوانة الواحدة سوف نستخدم العلاقة التالية علما ان المحرك الذي سوف نصممه هو مربع square وهذا يعني ان B=S. سوف نقوم بقسمة حجم المحرك على عدد الاسطوانات لنتمكن من حساب عرض الاسطوانة الواحدة كما يلي:

اذن من هذه المعادلة استطعنا حساب قيمة B , S في المعادلة قمنا بتكعيب ال B لانها في الاصل تساوي S ولكن في الانواع الاخرى من المحركات مثل under و over يجب حسابها لانها سوف تكون قيم B و S مختلفة.

2 – لايجاد متوسط سرعة المكبس نحتاج الى قيمة S وسرعة المحرك التي سوف نصمم عليها اي عدد الدورات في الدقيقة وهي 3600 RPM ولكن في هذا القانون يجب ان تكون السرعة بوحدة دورة/ثانية لذلك نقوم بالقسمة على 60 ليصبح التعويض في المعادلة كالتالي:

3 – الآن سوف نجد قيمة clearance volume للاسطوانة الواحدة عن طريق قانون ال rc وقيمة Vd التي حسبناها في الفرع الاول ويتم ايجادها بالطريقة التالية:

4 – لحساب سرعة المكبس عند نهاية الاحتراق سوف نقوم في 3 خطوات بحيث نجد قيمة نصف قطر الكرانك شافت a ثم قيمة R ونجد قيمة السرعة المطلوبة باستخدام متوسط سرعة المكبس وذلك كالتالي:

لاحظ ان قيمة R تقع بين الارقام التي درسناها سابقًا بحيث تتراوح قيم R من 3-4 للمحركات الصغيرة كما ذكرنا في درس تصميم المحرك – 2 وبهذا الارقام يكون التصميم في افضل حالة ويمكننا اعتباره تصميم ناجح ومبني على ستاندرد عالمي في تصميم المحركات الميكانيكية.

5 – والآن نستطيع ايجاد قيمة مسافة المكبس عندما ينتقل من TDC الى نهاية الاحتراق عن طريق حساب مكان تموضع المكبس piston position  كالتالي:

6 – واخيرا يمكننا ايجاد الحجم في حجرة الاحتراق عند نهاية الاحتراق مباشرة باستخدام العلاقة التالية:

والآن انتهينا من تصميم هذا المحرك فيما يتعلق بالخصائص اعلاه ولكن بالطبع لن ننهي تصميم المحرك فهذه ليست الا خطوات اساسية. الآن سوف ننتقل الى دراسة عناصر اضافية اساسية في تصميم المحركات مثل قوة العزم والصمامات ودرجات الحرارة والانظمة الحرارية وفقًا لقوانين الديناميكا الحرارية في الدروس التالية. 


اترك تعليقاً

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

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق