تصميم المحركات

تصميم المحرك – 1

لأول مرة في اللغة العربية سوف نقوم في دراسة تفصيليلة لتصميم محركات الاحتراق الداخلي بالنوعين (البنزين والديزيل) سوف ندرس جميع المكونات والخصائص وكيفية اختيارها لتصميم محرك ميكانيكي ناجح. ربما نحن نفتقر في الوطن العربي لتلك المصانع التي تصنع المحركات لكن يمكنك صناعة المحرك بنفسك بطريقة هندسية صحيحة اذا توفرت لك الاجهزة والأدوات التي سوف تحتاجها لتصميم المحرك. سوف ندرس المكونات الداخلية مثل الاسطوانات وحجم المحرك والحسابات الازمة والمكونات والخارجية مثل الهيكل التركيب والثقوب والعادم والانابيب والكفاءة والانبعاثات والاحتكاك وما الى ذلك من تفاصيل كبيرة يجب العلم بها. لذلك يمكننا القول ان تصميم المحرك عملية هندسة منهجية على أسس وتجارب هندسية مدروسة ولا بد من ان تتوافق الخصائص التكوينية للمحرك حتى يكون العمل صحيح ومتقن. نقصد هنا ان جميع الدروس التي نطرحها هي ستاندرد عالمي في عالم الهندسة المكيانيكية ليست فقط تجاربنا الشخصية.

لكن قبل ان تبدأ في سلسلة دروس تصميم المحرك (محركات الاحتراق الداخلي) يجب ان تقرأ الدروس التالية والتي نطرحها في موقعنا الكبير ميكانيكا العرب:

سوف ندرس في المرحلة الاولى من تصميم المحرك كل ما يتعلق في المكبس المرتبط علاقة قوية مع الاسطوانة والعامود المرفقي الكرانك شافت في الخصائص الثمانية  سنركز في دراستنا على عرض الاسطوانة والتي نسميها Bore ونرمز لها بالرمز B و والمسافة بين TDC و BDC هنا نسمها Stroke ونرمز لها بالرمز S كبيرة ,  وطول ذراع التوصيل نسميها connecting rod والتي نرمز لها r , نصف قطر الكرانك شافت نسميها crank offset والتي نرمز لها a , ومكان تموضع المكبس نسميه piston position والتي نرمز لها s صغيرة , زاوية الكرانك نسميها crank angle والتي نرمز لها θ , ونوعين من حجم المحرك وهما clearance volume والتي نرمز لها Vc و displacement volume والتي نرمز لها Vd المخطط ادناه يوضح المسميات وربما اصبح هنالك بعض التشويش بسبب هذه الخصائص الكثيرة سوف نرتب الخصائص اعلاه في جدول حتى تستطيع التفريق بينهم لاحقًا:

عوامل تصميم المحرك
المكون باللغة الانجليزية المكون باللغة العربية الرمز
Bore عرض الاسطوانة B
Stroke المسافة بين TDC و BDC S – كبيرة
connecting rod length طول ذراع التوصيل r
crank offset نصف قطر الكرانك شافت a
piston position مكان تموضع المكبس s – صغيرة
crank angle زاوية الكرانك θ
clearance volume Vc
displacement volume Vd

الآن هيا نبدأ في وصف القطع وكيف نقوم باجراء الحسابات اللازمة , ان  نصف قطر الكرانك شافت a مضروب بالعدد 2 سوف يعطينا قيمة المسافة بين TDC و BDC  والتي نرمز لها S – كبيرة. كالتالي:

S = 2a

ومن هذه المعادلة يمكننا حساب عنصر اساسي في تصميم محركات الاحتراق الداخلي وهو متوسط سرعة الاسطوانة يتم حسابه باستخدام المعادلة التالية: 

بحيث يمثل الرمز N عدد الدورات في الدقيقة للمحرك (Revolution Per Minute (RPM ويجب ان تعلم ان N تمثل سرعة المحرك والتي نقصد ها عدد الدورات في الدقيقة فهي مختلفة عن سرعة السيارة مثلا , سرعة السيارة نقيسها بوحدة كم/ساعة او ميل/ساعة وما الى ذلك. عدد الدورات في الدقيقة من العوامل الاساسية في تصميم محركات الاحتراق الداخلي سوف ندرس لاحقا كيف تؤثر على عزم دوران المحرك. بشكل عام في القانون اعلاه وحدة متوسط سرعة الاسطوانة هي م/ثانية – m/sec او قدم/ثانية – ft/sec اما وحدات S, B, a هي المتر او سم او القدم او الانش. 

وضعت لنا الشركات العالمية ستاندرد لقيمة متوسط سرعة الاسطوانة وهي قيم يجب ان نصمم جميع المحركات بناءًا على هذه القيم التي تتراوح بين 5 – 20 م/ث والتي تكافئ 15 – 65 قدم/ث للمحركات المختلفة مثل الديزيل والبنزين والاحجام المختلفة. ويوجد سببين للتقيد في حدود هذه القيم وهما ان هذه القيم تجعل المحرك آمن وتجعل جميع المكونات تعمل بشكل صحيح وحفاظًا على قوتها الميكانيكية وخواصها الداخلية. ففي كل دورة في المحرك كل اسطوانة تتسارع مرتين من الوقوف الى السرعة القصوى ثم تعود الى الوقوف عل سبيل المثال محرك نموذجي سرعته 3000 دورة في الدقيقة سوف يكون زمن دوران الدورة الواحدة 0.02 ثانية. اذا كان المحرك يتحرك بسرعة كبيرة عن الحد المسموح سوف يكون أمر خطير مما قد يسبب دمار لذراع التوصيل r للاسطوانة لانه غير مصمم لهذه السرعات (السرعات التي تكون خارج نطاق متوسط سرعة الاسطوانة) لذلك نلاحظ من المعادلات اعلاه ان الاسطوانة مصممة للعمل في سرعات معينة اعتمادًا على حجم المحرك.

وحتى تتكون صورة صحيحة لسرعة ال RPM نذكر لكم المعلومات المهمة التالية:

  • يتم تصميم المحركات الكبيرة مثل الجرافات والشاحنات والتي لها عرض الاسطوانة B كبير يصل الى 0.5 متر او 1.6 قدم مع عدد دورات في الدقيقة بين 200-400 دورة.
  • بينما يتم تصميم المحركات الصغيرة مثل الطائرات الصغيرة والتي لها عرض الاسطوانة B صغير يصل الى 1 سم او 0.4 انش مع عدد دورات في الدقيقة يصل الى 12.000 دورة وأكثر.

ولكن هنالك بعض الحالات التصميمة التي يتجاوز بها الصانعون عن قيم متوسط سرعة الاسطوانة على سبيل المثال سيارات السباق السريعة قد تصل متوسط سرعة الاسطوانة الى 35 م/ث مع عدد دورات كبير يصل الى 14.000 دورة في الدقيقة! ولكن بالتأكيد تصميم المحرك هذا متطور جدا من ناحية الحماية والمواد المستخدمة ولكن للأسف بعد عدة آلاف من الاميال سوف ينتهي عمر المحرك وايضا تكلفته المرتفعة جدًا في التصنيع. الجدول ادناه يوضح قيم سرعة المحركات المختلفة مع الاحجام المختلفة ولكن بشكل عام محركات السيارات تكون سرعة الدوران في الدقيقة لها من 500-5000 دورة في الدقيقة وبالمعدل سوف يكون سرعة المحرك 2500 دورة في الدقيقة 

لا تقلق بسبب كثيرة التفاصيل في الجدول اعلاه يهمنا في هذا الوقت ان تدرك وتقدر كيف تتناسب عرض الاسطوانة B مع المسافة بين TDC و BDC مع عدد الدورات في الدقيقة RPM مع متسوط سرعة الاسطوانة m/sec. ويجب ان تعلم انه في تصميم المحركات لا نهمل اي قيمة من الارقام التي نجدها على سبيل المثل اذا عرض الاسطوانة B يساوي 0.125 يجب ان نوظف العدد كاملا في الحسابات لان الجدول اعلاه ليست قيم ثابتة لكن هي توضيح لك لفهم كيف تتراوح القيم بين المكونات المختلفة داخل المحركات.

والسبب الثاني الذي يجعلنا نلتزم بحدود متوسط سرعة الاسطوانة هو صمامات الادخال والعادم , ان كمية الخليط الداخلة الى الاسطوانات هي عملية مدروسة ومحسوبة باجزاء من الثانية لحساب استهلاك المحرك للوقود وانبعاثاته لذلك اذا استخدمت قيم خارجة عن الحد المسموح سوف تكون الصمامات كبيرة لتسمح بدخول المزيد من الخليط وهذا يعني تكاليف باهظة من الوقود وتلوث كبير على البيئة , معظم الدول تضع حد لانبعاثات المحركات الميكانيكية لذلك التفكير في صناعة صمامات كبيرة او توسعتها امر غير منطقي وغير سليم بتاتًا فهذا يحتاج الى تصاميم استثنائية نحن لسنا بحاجة لها. 

والآن يمكنك الانتقال الى الدرس الثاني من تصميم المحركات لنكمل تصميم قطر الاسطوانة ومعرفة انواع التصاميم الثلاثة حسب ابعاد وشكل المحرك وغيرها من التفاصيل المهم في التصميم:


اترك تعليقاً

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

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق